超聲清洗，即利用超聲波對物體表面進行清潔，相信大家都不陌生，無論是生活中還是工業上，都有相當廣泛的應用。 沉（shan）迷（chang）實（mo）驗（yu）的小編更是天天在與超聲清洗機打交道，其為我們清潔各種實驗器材立下了汗馬功勞。 但超聲清洗機有一個缺點，就是它工作時真的好吵……

我們在初中二年級就學過，超聲波是頻率超過20kHz的聲波或振動，屬於人耳無法聽到的頻率範圍。

既然理應無法聽到，那為何其工作時還會發出刺耳的「滋滋」聲，這個聲音又是從哪裡產生的呢？

Part.1

再度認識聲波

想要探索清楚這個問題，首先要對其中的主角——聲波有一個清晰的認識。 下面我們就來回顧一下初中二年級時學過的那些聲學知識。

聲波是一種機械波，聲源處的質點產生振動，通過介質（氣體、固體、液體）向周圍傳播。

如果質點振動的方向與波的傳播方向平行，則稱其為縱波，機械縱波在氣體、液體、固體中均能傳播。

縱波傳播示意圖（質點左右振動，波向右傳播）

如果質點振動的方向與波的傳播方向垂直，則稱其為橫波。 由於傳播機械橫波需要介質具備切變彈性，故機械橫波只能在固體中傳播。

橫波傳播示意圖（質點上下振動，波向右傳播）

一般情況下我們會用頻率、振幅等物理量去描述一個波。 對應於聲波，其頻率、振幅決定了聲音的音調和響度。

音調由聲波的頻率（單位：赫茲 Hz）決定，頻率越大，音調越高;

響度由聲波的振幅決定，響度的單位是分貝（dB），振幅越大，響度越大;

人耳可聽到的聲音頻率範圍為20Hz~20kHz，根據這個範圍，我們定義了次聲波（頻率低於20Hz的聲波）和超聲波（頻率高於20kHz的聲波）。

不同頻率範圍的典型聲音 | 圖源：wikipedia

聲波在不同介質中的傳播速度是不一樣的，常溫常壓下，聲波在固體中的傳播速度最快，其次是液體，氣體最慢。

由於液體比氣體擁有更好的傳聲效果，所以超聲清洗機在工作時需要加入液體作為傳播介質，以達到更好的清潔效果。

Part.2

小小的氣泡，大大的能量

回顧完聲波的相關知識，下面我們就來看看如此高頻的聲波作用於這一池液體時，發生了什麼奇特的現象。

小編通過觀察實驗室里那台超聲清洗機，發現機器工作時，液體表面出現了波紋，而且原本沒有氣泡的液體出現了許多顫動的氣泡。

僅憑肉眼似乎看不出什麼端倪，這時候就得上點道具了……

真是驚掉耳朵！ 表面看似是一直在顫動的氣泡，居然經歷了一個從中間向內凹陷，而後穿孔，最終破裂成無數個小氣泡的過程。

如此神奇現象的背後到底蘊藏了什麼機理？ 其實並不複雜。

我們在前一部分說過，聲波在液體中只能以縱波的形式傳播，而縱波在傳播過程中會造成液體內局部壓力的不平衡。

縱波傳播時不同區域壓力示意圖

由於壓力的快速變小，所以在這些低壓區域中，通常能形成內部呈現真空狀態的氣泡。

又因為縱波一直在傳播，這些低壓區域很快就會感受到一股高壓襲來，於是就出現了從中部開始凹陷，進而穿孔使整個氣泡破裂的過程。

高壓過去後又一個低壓到來，新一輪過程開始並週期往複。

整個過程被稱為超聲波的空化作用，人眼之所以無法觀察到其中的細節，是因為超聲波的頻率實在太高，高壓與低壓交替之快，以至於人眼根本無法分辨。

儘管這個過程人眼難以捕捉，但是千萬別小看這些氣泡破裂時所產生的威力。

由於氣泡形成時內外壓強差極大，而且在最終破裂時能量高度集中，所以空化作用能在小範圍內產生一瞬間的極高壓（幾千個大氣壓）和極高溫（幾千攝氏度）。

也正是因為在液體內能產生如此極端條件，物品表面的污垢才能被脫落，從而起到清洗的作用。

Part.3

文章開頭的問題能回答了嗎？

感覺說了半天一直沒有直面「滋滋」聲的來源這個問題，其實小編不是故意躲著不答，而是這個”滋滋”聲和空化作用息息相關。

這個刺耳的「滋滋」聲，其實源於空化作用產生的小氣泡與機器內壁的撞擊。

空化作用產生的氣泡與機器內壁撞擊 | 圖源：格致論道講壇

我們先前講過，這些由空化作用產生的小氣泡，可產生小範圍的暫態極高壓極高溫。

而機器內壁一般都是不鏽鋼材質，強度較大，故發生碰撞時就會產生較為尖銳的聲音。

而且這個聲音的頻率又恰好在人耳可聽到的頻率範圍內，所以我們就會聽到這刺耳的”滋滋”聲。

沒想到一個司空見慣的超聲清洗，居然藏有這麼多有意思的知識，不過儘管如此，它還是好吵啊……

來源：科普中國