什么是超声波的空化效应？

什么是超声波的空化效应？

在液体中传播的超声波能对物体表面的污物进行清洗，其原理可用“空化”现象来解释：超声波振动在液体中传播的音波压强达到一个大气压时，其功率密度为0.35w/cm²，这时超声波的音波压强峰值就可达到真空或负压，但实际上无负压存在，因此在液体中产生一个很大的力，将液体分子拉裂成空洞。此空洞非常接近真空，它在超声波压强反向达到最大时破裂，由于破裂而产生的强烈冲击将物体表面的污物撞击下来。这种由无数细小的空化气泡破裂而产生的冲击波现象称为“空化”现象。
这一伟大的发现给人类首先造福于人类的卫生事业，比如超声波洗牙、超声波清洁珠宝、超声波清洁在工业消毒中的应用……
超声波牙刷通过换能器将超声波能量通过刷毛传送到刷头表面，以牙膏和水作为媒介，使其产生超临界的“空化”现象来瓦解和疏松污渍，再通过9600万次/分的机械振动将超声波瓦解后的污渍轻松冲走。超声波产生的高能“空化”水分子不仅可以瓦解顽固污渍，还可直接影响不溶性葡聚菌，割断细菌之间的结合，起到阻断牙菌斑生成的作用；超声波还能有力地疏松细菌表面与牙垢之间的结合以及其他污渍，使其变得容易脱落；对于隐藏在齿缝及牙龈内的污渍，也能通过高频和高能水分子深入洁净。超声波作用于牙齿和牙龈，能有效永久地清除牙垢、残渣和其它牙渍，同时促进牙龈的血液循环。使用后，会明显感到牙龈紧凑。如果坚持有规律地使用，还可以降低和消除牙龈出血。

超声波空化作用是指存在于液体中的微气核空化泡在声波的作用下振动，当声压达到一定值时发生的生长和崩溃的动力学过程。空化作用一般包括3个阶段：空化泡的形成、长大和剧烈的崩溃。当盛满液体的容器当通入超声波后，由于液体振动而产生数以万计的微小气泡，即空化泡。这些气泡在超声波纵向传播形成的负压区生长，而在正压区迅速闭合，从而在交替正负压强下受到压缩和拉伸。在气泡被压缩直至崩溃的一瞬间，会产生巨大的瞬时压力，一般可高达几十兆帕至上百兆帕。Suslick等人测得：空化可使气相反应区的温度达到5 200 K左右，液相反应区的有效温度达到1 900 K左右，局部压力在5.O5×10kPa，温度变化率高达10K/s，并伴有强烈的冲击波和时速达400 km 的微射流。这种巨大的瞬时压力，可以使悬浮在液体中的固体表面受到急剧的破坏。通常将超声波空化分为稳态空化和瞬间空化2种类型：稳态空化是指在声强较低(一般小于10w/cm )时产生的空化泡，其大小在其平衡尺寸附近振荡，生成周期达数个循环。当扩大到使其自身共振频率与声波频率相等时，发生声场与气泡的最大能量耦合，产生明显的空化作用。瞬态空化则是指在较大的声强(一般大于1Ow/cm )作用下产生的生存周期较短的空化泡(大都发生在1个声波周期内)。