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超聲學的主要應用技術體現在兩個方面:檢測超聲波和功率超聲波。
檢測超聲又稱為弱超聲的“被動應用”,檢測超聲是利用毫瓦量級的小功率超聲的傳播特性對媒質的各種非聲學量及其變化實施檢測或控制。例如醫學中的A超、B超、c超等顯像診斷儀器;工業中的金屬探傷、測厚、測距等檢測儀器。
功率超聲又稱為“大功率超聲的主動應用”,是利用較大功率的超聲對物質作用,以改變或加速改變物質的一些物理、化學和生物特性或狀態的技術。功率超聲在化工中的應用,近年來有了新的發展,展示出廣闊的前景。本文意在對功率超聲在化工領域的應用予以綜述,以期引起化工領域對功率超聲應用的關注。
一.功率超聲機理概述
一定強度的超聲波在媒質中傳播時,會產生力學、熱學、光學、電學和化學等一系列效應,這些效應歸納起來,有三種基本的作用。
1.機械作用。超聲波是機械能量的傳播形式,與被動過程有關,能產生線性型交變的振動作用。這種機械能量主要體現在媒質的質點間的振動、加速度沖擊、聲壓剪切等效應力作用。若28khz,1W/cm2的聲強在水中傳播,其產生的聲壓值為242kpa,這就是說,在242kpa的壓力下產生2.8萬次振動,質點加速度大約為重力加速度的2000倍。
2.空化作用。當一定強度的超聲波在液體媒質中傳播時,使液體中的微氣泡的振蕩生成、增大、收縮、崩潰導致氣泡附近的液體產生強烈的激波,形成局部點的極端高溫高壓,空化泡崩潰的瞬間其周圍極小空間內產生5000k以上的高溫和大約50mpa的高壓,其溫度變化速率達109k/s,并伴生出強烈沖擊波和時速達400km的微射流,這種極端高壓、高溫、高射流又是以每秒數萬次連續作用產生的,超聲空化引起了湍動效應、微擾效應、界面效應,聚能效應。其中湍動效應使邊界層減薄,增大傳質速率;微擾效應強化了微孔擴散;界面效應增大傳質表面積;聚能效應擴大了分離物質分子從而從整體上強化了化工分離強化過程的傳質速率和效果。因此,空化作用是功率超聲基本的特質。
3.熱作用。超聲波在媒質中傳播,其振動能量不斷被媒質吸收轉變為熱能而使自身溫度升高。聲能被吸收可引起媒質中的整體加熱、邊界外的局部加熱和空化形成激波時波前處的局部加熱。