Ультразвуковая энергия воздействует на среду, что заставляет частицы вибрировать с высокой скоростью и производить механические изменения, такие как скорость, ускорение, звуковое давление и интенсивность звука, тем самым вызывая механические эффекты. Ультразвук — это форма распространения механической энергии, которая связана с волновым процессом и вызывает линейный эффект вибрации. При распространении ультразвуковой волны в среде, хотя амплитуда смещения частицы мала, ускорение частицы, вызванное ультразвуковой волной, очень велико.
Если ультразвуковая волна 20 кГц, 1 Вт/см2 распространяется в воде, амплитуда звукового давления, генерируемая ею, составляет 173 кПа, что означает, что амплитуда звукового давления должна меняться 20 000 раз между положительным и отрицательным 173 кПа в секунду, а максимальное ускорение частиц до 1440 км/с2, что примерно в 1500 раз превышает ускорение силы тяжести, такое интенсивное и быстро меняющееся механическое движение является эффектом механической вибрации мощного ультразвука.
Когда ультразвуковая среда не является однородной слоистой средой (например, биологическая ткань, человеческое тело и т. д.), акустический импеданс каждого слоя среды приведет к отражению отраженных звуковых волн и образованию стоячей волны. Пучности и узлы стоячей волны вызывают давление и напряжение, а также изменения ускорения. Поскольку масса различных частиц среды (например, биомолекул) различна, скорость вибрации, вызванная изменением давления, различна, а изменение давления, вызванное относительным движением между частицами среды, является еще одной причиной ультразвукового механического эффекта. Механические воздействия с помощью ультразвука следует обрабатывать (перфорация, резка, уплотнение, упрочнение поверхности, сварка, очистка, полировка, удаление нежелательных пленок и загрязнений и т. д.), а также использоваться для ускорения диспергирования, гомогенизации, эмульгирования и дробления, стерилизации и других процессов.
Механическое воздействие ультразвука широко используется в производстве, и примеры следующие.
Механическое перемешивание
Ультразвуковая высокочастотная вибрация и радиационное давление могут создавать эффективное перемешивание и поток газа и жидкости. Сильная струя и локальный микропорыв потока, создаваемые вибрацией кавитационного пузырька на твердой поверхности, могут значительно ослабить поверхностное натяжение и трение жидкости, а также разрушить прикрепленный слой границы раздела твердого тела и жидкости, поэтому он не может достичь обычного низкочастотного механического перемешивания. эффект. Этот эффект является физической основой для нанесения лекарств через кожу человека, косметических продуктов на кожу человека, ультразвуковой дегазации, пищевого и косметического выравнивания и облагораживания.
Взаимная диффузия
Давление и высокотемпературный эффект ультразвуковой вибрации и кавитации используются для содействия взаимному проникновению молекул между двумя жидкостями, двумя твердыми телами или границами раздела жидкость-твердое тело и жидкость-газ для формирования новых свойств материала. К таким воздействиям можно отнести ультразвуковую сварку металлов или пластмасс, ультразвуковое эмульгирование, очистку, распыление.
Гомогенизировать
После закрытия кавитационных пузырьков локальная ударная волна может раздавить частицы жидкости, чтобы сделать ее мелкодисперсной; сделать кристалл однородным; распределить большие и неровные капли молока в крошечные однородные агенты (такие как медицинские контрастные вещества, средства для лечения рака и т. д.); Оно может даже включать тромболизис и другие эффекты.
Сплоченность
Ультразвуковая вибрация может заставить взвешенные частицы в газовой и жидкой среде двигаться с разной скоростью, увеличивая вероятность фазового столкновения; или используя стоячие волны, чтобы заставить их стремиться к пучностям, таким образом происходит процесс агломерации. В эту категорию попадают пыль в дымоходе и искусственный дождь.
Механическое режущее действие
Благодаря большому ускорению ультразвуковой вибрации и эффекту кавитации и акустической коррозии можно выполнять специальную и точную обработку твердых и хрупких материалов (драгоценных камней, керамики, стекла, магнитной стали и т. д.).
Разбить
Использование ультразвуковых импульсов высокой интенсивности позволяет дробить камни в почках и желчном пузыре в организме, не повреждая мягкие ткани.
