明明是“超声”清洗，咋还在“滋滋”作响？_风闻

原创：中科院物理所

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？

01

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。

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。

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和响度。

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）。

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。

02

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。

仅凭肉眼似乎看不出什么端倪，这时候就得上点道具了……

图源：制造原理

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。

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。

纵波传播时不同区域压力示意图 | 图源：参考资料[2]

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。

03

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。

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……

参考资料

[1] Sound - Wikipedia

[2] Fuchs F J. Ultrasonic cleaning, fundamental theory and application[C]//NASA CONFERENCE PUBLICATION. NASA, 1995: 369-369.

[3] 许忠华,张洪波.超声清洗的空化作用机理[J].哈尔滨铁道科技,2009(04):3-5.

[4] Brennen C E. Cavitation and bubble dynamics[M]. Cambridge University Press, 2014.