明明是“超声”清洗,咋还在“滋滋”作响?

科技 7个月前 社科兔
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  来源:中国科普博览

  超声清洗,即利用超声波对物体表面进行清洁,相信大家都不陌生,无论是生活中还是工业上,都有相当广泛的应用。

  沉(shan)迷(chang)实(mo)验(yu)的小编更是天天在与超声清洗机打交道,其为我们清洁各种实验器材立下了汗马功劳。

  但超声清洗机有一个缺点,就是它工作时真的好吵……

  我们在初中二年级就学过,超声波是频率超过20kHz的声波或振动,属于人耳无法听到的频率范围。

  既然理应无法听到,那为何其工作时还会发出刺耳的“滋滋”声,这个声音又是从哪里产生的呢?

  Part.1

  再度认识声波

  想要探索清楚这个问题,首先要对其中的主角——声波有一个清晰的认识。下面我们就来回顾一下初中二年级时学过的那些声学知识。

  声波是一种机械波,声源处的质点产生振动,通过介质(气体、固体、液体)向周围传播。

  如果质点振动的方向与波的传播方向平行,则称其为纵波,机械纵波在气体、液体、固体中均能传播

明明是“超声”清洗,咋还在“滋滋”作响? 纵波传播示意图(质点左右振动,波向右传播)

  如果质点振动的方向与波的传播方向垂直,则称其为横波。由于传播机械横波需要介质具备切变弹性,故机械横波只能在固体中传播

明明是“超声”清洗,咋还在“滋滋”作响? 横波传播示意图(质点上下振动,波向右传播)

  一般情况下我们会用频率振幅等物理量去描述一个波。对应于声波,其频率、振幅决定了声音的音调响度

  音调由声波的频率(单位:赫兹 Hz)决定,频率越大,音调越高;

  响度由声波的振幅决定,响度的单位是分贝(dB),振幅越大,响度越大;

  人耳可听到的声音频率范围为20Hz~20kHz,根据这个范围,我们定义了次声波(频率低于20Hz的声波)和超声波(频率高于20kHz的声波)。

明明是“超声”清洗,咋还在“滋滋”作响?不同频率范围的典型声音 | 图源:wikipedia

  声波在不同介质中的传播速度是不一样的,常温常压下,声波在固体中的传播速度最快,其次是液体,气体最慢。

  由于液体比气体拥有更好的传声效果,所以超声清洗机在工作时需要加入液体作为传播介质,以达到更好的清洁效果。

  Part.2

  小小的气泡,大大的能量

  回顾完声波的相关知识,下面我们就来看看如此高频的声波作用于这一池液体时,发生了什么奇特的现象。

  小编通过观察实验室里那台超声清洗机,发现机器工作时,液体表面出现了波纹,而且原本没有气泡的液体出现了许多颤动的气泡

明明是“超声”清洗,咋还在“滋滋”作响?

  仅凭肉眼似乎看不出什么端倪,这时候就得上点道具了……

明明是“超声”清洗,咋还在“滋滋”作响?

  真是惊掉耳朵!表面看似是一直在颤动的气泡,居然经历了一个从中间向内凹陷,而后穿孔,最终破裂成无数个小气泡的过程。

明明是“超声”清洗,咋还在“滋滋”作响?

  如此神奇现象的背后到底蕴藏了什么机理?其实并不复杂。

  我们在前一部分说过,声波在液体中只能以纵波的形式传播,而纵波在传播过程中会造成液体内局部压力的不平衡

明明是“超声”清洗,咋还在“滋滋”作响?纵波传播时不同区域压力示意图

  由于压力的快速变小,所以在这些低压区域中,通常能形成内部呈现真空状态的气泡

  又因为纵波一直在传播,这些低压区域很快就会感受到一股高压袭来,于是就出现了从中部开始凹陷,进而穿孔使整个气泡破裂的过程。

  高压过去后又一个低压到来,新一轮过程开始并周期往复。

  整个过程被称为超声波的空化作用,人眼之所以无法观察到其中的细节,是因为超声波的频率实在太高,高压与低压交替之快,以至于人眼根本无法分辨。

  尽管这个过程人眼难以捕捉,但是千万别小看这些气泡破裂时所产生的威力。

  由于气泡形成时内外压强差极大,而且在最终破裂时能量高度集中,所以空化作用能在小范围内产生一瞬间的极高压(几千个大气压)和极高温(几千摄氏度)。

  也正是因为在液体内能产生如此极端条件,物品表面的污垢才能被脱落,从而起到清洗的作用。

  Part.3

  文章开头的问题能回答了吗?

  感觉说了半天一直没有直面“滋滋”声的来源这个问题,其实小编不是故意躲着不答,而是这个“滋滋”声和空化作用息息相关

  这个刺耳的“滋滋”声,其实源于空化作用产生的小气泡与机器内壁的撞击

明明是“超声”清洗,咋还在“滋滋”作响?空化作用产生的气泡与机器内壁撞击 | 图源:格致论道讲坛

  我们先前讲过,这些由空化作用产生的小气泡,可产生小范围的瞬时极高压极高温。

  而机器内壁一般都是不锈钢材质,强度较大,故发生碰撞时就会产生较为尖锐的声音。

  而且这个声音的频率又恰好在人耳可听到的频率范围内,所以我们就会听到这刺耳的“滋滋”声。

  没想到一个司空见惯的超声清洗,居然藏有这么多有意思的知识,不过尽管如此,它还是好吵啊……

版权声明:社科兔 发表于 2021年12月11日 上午11:44。
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