一、超声波机理概述

　　超声波是物理介质中的一种弹性机械波，它和电、磁、光等同样是一种物理能量形式。超声波具有聚束、定向及反射、透射等特性。超声技术的应用主要是利用超声波具有的诸多特性，其中特别突出的是，由于超声波频率高、波长短，因而衍射现象不明显，所以传播直进性好，方向性强;超声波引起的介质微粒振动可以产生很大的速度和加速度，传给介质微粒的能量比可听声音要大得多;固体对超声波吸收很微弱;在不透明的固体中，超声波能穿透几十米的厚度;超声波碰到杂质或介质分界面有明显的反射，能量比较大的超声波能对介质产生很多效应。

　　超声技术的用途可分为两大类，检测超声(也称弱超声)和功率超声(也称强超声)，二者的主要区别是介质微粒的振动幅度不同，检测超声介质微粒的振动幅度很小，主要用于采集信息，对物体进行无损检测;功率超声则利用能量来改变材料的某些状态，需要比较大的功率，如超声清洗、超声萃取、超声乳化、超声水处理、超声机械加工等。

　　二、超声场的基本物理量、物理特性、产生的理化生效应

　　1、超声场的基本物理量

　　(1)声压? 超声场中某一点在某一时刻具有的压力与没有超声存在时的静压力之差称为声压。

　　(2)声速? 超声波在弹性介质中传播的速度。

　　(3)声强? 超声波的声强是指在垂直于进行波传播方向上每平方厘米每秒所传送的能量。

　　(4)声功率? 声功率是反应声场中总能量关系的一个物理量，平均声功率是单位时间里通过垂直于声传播方向的面积的平均声能量。

　　(5)声阻抗? 声阻抗是指介质的特性阻抗。

　　2、超声场的物理特性

　　(1)反射与折射? 平面声波传播到两种特性阻抗不同的介质平面分界面上时，一部分声波被反射，另一部分被折射到相邻的介质内，称为反射与折射。

　　(2)超声波的吸收? 声波在传递过程中能量被介质吸收，转化为介质质点的振动能、热能等，从而导致声强降低，介质吸声系数越高，介质吸声效果越好。介质分为液体介质、气体介质和固体介质。

　　(3)干涉的形成? 如果在一种介质中有几个声波，就会产生波的干涉现象，由于声波的干涉，在幅照器的周围将形成一个包括大和小声强的声场。

　　(4)驻波声场? 干涉可以形成驻波场，在每相距二分之一个波长的地方出现振动节点，这些地方的介质为静止状态，在两个相邻节点之间出现振动波峰，也就是介质振动幅度为最大值。当两个完全相同的波从相反的方向传播时，就会产生驻波。

　　3、超声场产生的物理、化学、生物效应

　　(1)机械效应? 超声在传播过程中，会引发质点的交替压缩与伸张，构成了压力的变化，引起介质质点振动的机械效应，其质点加速度有时可超过重力加速度数万倍，从而对介质造成强大的机械效应。

　　(2)热效应? 由于物质的声吸收特性，超声能量射入物质后，部分超声能量将转变成热能，促使物质温度升高。物质温度与声吸收有着密切的关系。超声热效应的机理大致有如下几方面：a、超声振动通过介质时能量发生转变;b、介质质点发生周期性紧缩，引起温度增高中心，该中心发生在超声波的压缩相位中;c、在不同种组织分界部分，由于组织分层，介质阻抗不同，将产生反射，形成驻波，引起分子间相对运动，产生摩擦而形成热，这时在与驻波区相应的位置上就有局部温度增高。上述诸因素中，介质的声吸收是热效应产生的主要原因。

　　(3)空化效应? 超声空化是功率超声在液体介质中引起的一种基本，且又特有的物理过程，超声空化是这样产生的：存在于液体中的微气泡(又称空化核)在声场的作用下振动，当声压达到一定值时，气泡将迅速膨胀，然后突然闭合，在气泡闭合时产生冲击波，然后崩溃，这种微小气泡振动、膨胀、闭合、崩溃等一系列动力学过程称为声空化(Acoustic Cavitation)。超声空化产生时，在空化发生的局部可以产生压力高达上千个大气压的巨大压力，空化泡破裂时还能产生速度大于每秒300米的冲击波。因而，多年来声空化现象是超声学及其应用的一项基础研究，声化学是其中一个重要分支。

　　(4)热解和自由基效应? 声化学反应时溶液中的有机物产生热解反应和氧化反应两种类型的声化学反应。进入空化泡的水蒸气在高温和高压环境下发生分裂和链式反应以及声致自由基反应。疏水性、易挥发的有机物可进入空化泡内进行类似燃烧化学反应的热解反应;亲水性、难挥发性的有机物在空化泡气液界面上或在液体中发生氧化反应。

　　(5)声流效应? 超声射入于两种不同声阻抗的介质界面时，动量发生变化，产生幅照压力，对介质粒子(如生物细胞或物质分子)可产生撕裂并引起声流，即引起介质粒子(生物细胞和物质分子)的移动或转动，当这种运动的幅度足够大时，会引起介质粒子损伤(破壁或变型)。

　　(6)传质效应? 超声波作用时，可使介质质点处于振动状态，从而增强液态介质中质点的运动、加速质量传递作用，从而可提高生物反应或化学反应的速度，这就是超声对传质的促进作用。

　　(7)触变效应? 超声波的作用还会引起生物组织结合状态的改变，如降低粘滞性，造成细胞液变稀，细胞质沉淀，这种效应称为触变效应。当声强过高时，触变效应是不可逆变化，会对组织造成损伤。