第九讲声学新技术

第九讲声学新技术声学既是一门经典学科，又是一门“常为新”的学科．从经典声学到现代声学，声学始终是最具生命力的学科之一，表现为其内涵不断深化、外延不断扩大，与其他学科相互渗透，不断拓展新的应用领域．§9.1声化学§9.2声悬浮§9.3超声马达声化学声化学的定义声致化学反应类型与机制声致化学反应的主动力声化学(Sonochemistry)主要是指利用超声波加速化学反应，提高化学产率的一门新兴的交叉学科．声化学的定义声化学反应不是来自声波与物质分子间的直接相互作用，因为在液体中常用的声波波长为10cm～0.015cm(对应频率15kHz～10MHz)，远大于分子尺度．声化学反应主要源于声空化——液体中空腔的形成、振荡、生长、收缩至崩溃，及其引发的物理、化学变化．液体声空化的过程是集中声场能量并迅即释放的过程．空化泡崩溃时，在极短时间内和在空化泡周围的极小空间内，产生5000K以上的高温和大约5×107Pa的高压，温度变化率高达109K/s，并伴生强烈的冲击波和(或)时速达400km的射流，这就为在一般条件下难以实现或不可能实现的化学反应，提供了一种新的非常特殊的物理环境，启开了新的化学反应信道．所以，有的文献上也称声化学为超声波化学或高能化学．图9.1从能量与物质作用观点比较化学各个分支化学，归根到底是一门能量与物质相互作用的科学．著名的美国声化学家K．Suslick就是从这一观点出发，给出了声化学与其它化学分支的比较，见图9.1所示．图中的三个轴分别为作用时间(s)、压力(1.013×l05Pa)及每个分子获得的能量(eV)．可见，在声致化学反应中，作用时间接近于光化学，压力则可与高压化学相比，能量范围类似于火焰化学，但比火焰化学要大．声致化学反应的主动力声化学反应是声致化学效应的结果，声致化学效应是声致效应的一种．声致效应是通过声波与传声媒质相互作用来实现的．一般把这种相互作用机制归结为力学的、热学的及空化的三种，而在声化学反应中，声空化机制被认为是主动力．通常把声空化分为稳态空化(stablecavitation)和瞬态空化(transientcavitation)．稳态空化是指那些在较低声强作用下即可发生的，内含气体与蒸汽的空化泡行为．稳态空化泡表现为持续的非线性振荡，在振荡过程中气泡定向扩大，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，产生明显的空化效应．瞬态空化在较大的声强下发生，而且它大都发生在一个声波周期内．在声波负压相中，空化泡迅速扩大，随之则在声波正压相作用下，被迅速压缩至崩溃．在瞬态空化泡存在的时间内，不发生气体通过泡壁的质量转移，而在泡内壁上的液体蒸发与凝聚却可自由进行．理论估算及对声化学反应速度的实验研究表明，瞬态空化泡崩溃时，形成局部热点(hotspot)，其温度(Tmax)可达5000K以上(相当于太阳表面温度)，温度变化率达109K/s，压力可高达数百乃至上千个大气压(相当于大洋深海沟处的压力)．瞬态空化伴随发生的高温可导致自由基(freeradical)的形成及声致发光(sonoluminescence)的发射；而高压的释放，将在液体中形成强大的冲击波(均相)或高速(＞110m／s)射流(非均相)．瞬态空化正是以这种特殊的能量形式来加速化学反应，启通新的反应信道的．假设瞬态空化泡的收缩(直到崩溃)过程是绝热过程，有关理论研究给出了空化泡崩溃时泡内的最高温度(Tmax)与最大压力(Pmax)：1maxminmax])1([])1([gKggKPPPPPPTT式中Pg是起始半径为R0的空化泡内的气体压力，PK=P0+Pa为空化泡崩溃过程中受到的总压力(如前所述，近似为常数)．一般地，Tmin取环境温度，Pg取液体的蒸气压Pv(因为瞬态空化泡在增长过程中不伴随发生气体向泡内的转移)．声致化学反应类型与机制声化学反应可概括为如下三种类型：均相反应H20·H+·OHH·+O2HO2·HO2·+HO2·H2O2+O2·OH+·OHH2O2在实际声空化发生的情况下，空化泡在声波负压相内形成，来自其周围溶剂或易挥发的试剂蒸气遂进入其中．当空化泡在下一个声波正压相发生崩溃时，泡内蒸汽被剧烈地绝热压缩，从而产生异乎寻常的高温高压，在这种极端条件下，溶剂和(或)试剂的结构被破坏，随之产生具有反应活性的自由基或碳烃．如果声辐照的是水媒质，那么空化泡崩溃时形成的特殊条件足以使O-H键断裂，形成自由基，并进而形成氧与过氧化氢．反应如下：溶于水中的任何试剂，都可能与声空化产生的活性自由基和(或)过氧化氢进行反应．如水媒质中溶有碘化物，碘元素即会释放出来．有固/液交界面参与的非均相反应在这类反应中，固相本身或只作为催化剂，或是反应物参与反应过程且在反应过程中被不断消耗．声空化加速这类反应的机制空化泡崩溃时产生的冲击波腐蚀金属表面，用电子显微镜观察发现，经超声处理的金属表面呈许多蚀坑，类似于月球表面上的陨石坑．这些蚀坑的出现，不断地把新鲜表面暴露给试剂，如金属为粉末状，则空化使其颗粒不断变小，增大了参与反应的有效面积．有液/液交界面参与的非均相反应在含水有机混合液中，只有在交界区域内，溶于不同相的试剂之间才可能发生反应．在这种情况下，合成化学家们总是要使用相转移催化剂(PTC)，使试剂从一相转移到另一相中．但使用PTC有两大缺点，其一是PTC本身价格昂贵，其二是PTC本身还隐含危险性．由于PTC固有的性质，它会将化学试剂催化转移到人体组织中，因此人们不得不致力于另寻他途．事实表明，使用功率超声处理，不仅能增强反应活性，甚至可能完全避免使用PTC．超声处理可产生特别精细的乳状液，其结果是使两种液体的交界面大为增加，从而使溶于不同液体中的试剂间的反应活性急剧增大．此外，超声处理还有一个特点，就是它可以使被处理的乳液不断地受到机械扰动，从而亦增加不同相之间的转移．这类反应在工业上一个成功的应用范例是对各种油、脂和腊的超声水解反应．而且反应可以在较低温度下进行，从而可以获得较为洁净的产品．总之，目前功率超声在化学上正在取得越来越多的应用，在每一具体的应用中，可以指望获得下列的一项或多项益处，即：加速反应或软化发生反应的苛刻条件增大催化效率降低化学试剂的等级要求引发反应或缩短诱导时间使用通常方法而减少反应步骤声悬浮声悬浮技术的原理和装置声悬浮技术的应用声悬浮技术的特点声悬浮技术的原理和装置声或超声悬浮图9.2声悬浮装置声反射面悬浮物位置声压最小平面活塞声源n/2/2/4声驻波在重力或微重力空间利用强驻波声场中的辐射压力与悬浮体重力相平衡，而使其稳定悬浮在声场中的技术．声悬浮技术的原理和装置图9.2是单轴声悬浮的原理图．活塞声源装在长圆管的下部，在活塞辐射面的对面设有反射器，在其间建立驻波声场．辐射面与反射面相距为半波长的整数倍．当声场中的辐射压力与物体的重力相平衡时，物体即悬浮在空间．这种单轴声悬浮装置，如果是理想的平面驻波声场，则在声压最小平面内的任一位置都能稳定悬浮．但实际上辐射面的振动不可能完全均匀，声压最小平面也不是无限大，因此声压最小平面上的声压分布是不均匀的，有峰点和谷点，物体被稳定地悬浮在谷点上．如果改变反射器的距离惑声源的频率，则可以实现悬浮体在空间的移动．这种装置适于空气中应用．图9.3液体介质声悬浮装置换能器悬浮液滴位置监测系统空气密封圈液滴注入系统另一种适用于液体介质中应用的声悬浮装置如图9.3所示．为灵活的控制物体的悬浮位置，发展了一种三轴声悬浮装置．在一个六面长方体腔中，有三面布置三个声源，其激励可以独立调节，因而能灵活控制物体在空间某一位置的稳定悬浮．如果对某一声轴的声压加以调制，则可以实现悬浮液滴的振荡，也可以实现悬浮体的声致旋转．此外，为实现对悬浮体的处理，还发展了高温声悬浮装置．用一根外径3cm，长25cm的玻璃管，一端开口，一端装有带“O”形密封圈的可移动活塞．管内装有某种与待测液体不相溶的液体介质，借助于活塞的移动来调节管内液面的高度．圆管形压电换能器(外径3.81cm，高3.81cm，厚0.32cm)用胶粘在玻璃管的外侧．另外，装有液滴注入系统和位置监测系统．当换能器被超声波发生器产生的电信号激励时，调节液面高度或超声振动频率可使换能器、玻璃管及液柱系统发生共振，这时在液柱中即可产生强烈的声驻波．此时将被测液滴注入，该液滴便悬浮于一定位置．通过移动活塞或改变超声振动频率均可以改变液滴悬浮的位置．声悬浮技术的特点可以悬浮任何材料，包括磁性和非磁性体，导体和绝缘体；定位方便、稳定，不容易失控；可以方便地实现样品的输送，如从高温区输送到低温区；能使样品旋转、振动和变形，有利于样品保持球形、脱气、表面涂敷和材料的分选；利用空化效应，可以使材料混合粉碎和雾化等等．声悬浮技术的应用1．流体力学方面的研究无容器技术为流体力学的研究提供了很好的环境，如液滴的自由振荡与受迫振荡，泡壁的自由振荡与受迫振荡，声场压力及液体粘滞对液滴振荡特性的影响，用无容器技术进行研究都得到很有用的结果．在太空中用声悬浮技术使液滴振荡能提高滴的球度和壳的均匀度，对于聚变靶的制造有重要意义．可以用来测量表面张力，特别是对不允许有容器接触的过冷、过热液体的研究是很有用的．2．液体和熔融材料物理性质的测量有些材料的性质不能在容器中测量，如过冷和过热液体、过饱和溶液、高纯度或高活性物质等，其表面张力、粘滞性等在无容器条件下测量是合适的．3．无容器条件下对材料的处理和研究无容器处理材料避免了器壁对材料的污染，能够制备高纯度、高活性和高熔点的材料；许多材料的结晶过程在无容器环境下进行可以避免器壁与材料接触而导致大量非均匀成核．无容器技术可用于生长某些高质量的单晶，或制备极易偏析的合金；另一方面，完全无序的非晶态具有许多晶态材料没有的优异性质，因此人们越来越多地在化合物或合金中寻求玻璃态．但许多物质，尤其是金属，在熔融状态下粘滞度很小，器壁的非均匀成核导致迅速结晶．空间无容器处理基本上杜绝了异质晶核的来源，在高温处理时不需要考虑容器的耐高温、耐腐蚀等问题．利用声压梯度和旋转，在玻璃制备过程中可以除气；一些亚稳合金化合物具有较高的超导转变温度，但亚稳态的形成需要深度过冷，需要借助于无容器技术．4．利用超声悬浮场的能量处理材料在制备一些新合金、纤维增强复合材料时都需要进行均匀合成或分散．空间微重力环境虽然消除了密度差异所带来的互相分离的因素，但也丧失了使它们均匀分散的主要手段——对流．超声空化、微冲流和辐射压力却是使材料均匀化的一种有效手段．此外，空化还兼有乳化作用，可使晶粒变细；在空间，重力分选失效时，声致旋转可以进行离心分选；声悬浮场还可用于材料的外形或表面加工，可以得到球形、片和丝等形状的材料，可以进行表面涂敷等等．超声马达超声马达的特点超声马达的工作原理超声马达的种类超声马达的特点超声马达是一种新型马达，它与电磁马达不同，不需要磁场，而是利用超声换能器把电能转换为一定模式的机械振动，然后再利用定子(振动着的弹性体)与转子(或滑块)表面间的摩擦力使转子转动或使滑块移动．与普通电磁马达比较，超声马达具有突出的特点：因此超声马达在计算机、机器人、电镜、仪表以及其他高技术产品中有极其广阔的应用前景．转速低，转矩大，在许多应用中可以省掉减速装置而直接驱动响应快，定位精度高体积小，功率密度高没有磁干扰，适合在磁场环境下工作控制方便超声马达的种类超声马达分类按波动形式分行波马达驻波马达按运转形式分线性马达旋转马达按振动模式分单模式多模式模式转换按换能器分单一换能器型复合换能器型超声马达的工作原理超声行波马达的基本原理假如在弹性体表面的质点振动的轨迹是椭圆形(如表面波和板波在传播过程中就是这种情况，或者亦可由各种复合振动模式来实现)．当有一金属块压在此弹性体表面时，如图9.4所示，则金属滑块将朝波传播相反的方向移动．这是因为波沿x方向传播时，弹性体表面上的质点沿椭圆轨迹按逆时针方向运动，由于两表面间的摩擦力，以致带动金属滑块移动．这就是超声行波线性马达的基本原理．为此，除接触面处采用摩擦系