明明是“超声”清洗，咋还在“滋滋”作响？

超声波清洗，也就是利用超声波来清洗物体表面，相信大家都不陌生，在生活和工业中都有广泛的应用。

被常，莫，余迷得神魂颠倒的，天天和超声波清洗机打交道，为我们清洗各种实验设备立下了汗马功劳。

但是超声波清洗机有一个缺点，就是工作的时候真的很吵...

我们在初中二年级的时候学过，超声波是一种频率超过20kHz的声波或振动，属于人耳听不到的频率范围。

既然应该是听不见的，为什么工作时会发出刺耳的滋滋声这个声音是从哪里来的

01.再次识别声波。

要探讨清楚这个问题，首先要对主角——声波有一个清晰的认识我们来复习一下初二学过的声学知识

声波是机械波的一种声源处的粒子产生振动，并通过介质传播

如果质点振动的方向与波传播的方向平行，则称为纵波机械纵波可以在气体，液体和固体中传播

纵波传播示意图

如果质点的振动方向与波的传播方向垂直，则称为横波因为机械剪切波的传播需要介质的剪切弹性，所以机械剪切波只能在固体中传播

横波传播示意图

一般来说，我们会用频率，振幅等物理量来描述一个波对应声波，它们的频率和振幅决定了声音的音调和响度

音调由声波的频率决定频率越高，音调越高

响度由声波的振幅决定响度的单位是分贝振幅越大，响度越大

人耳可听到的声音频率范围是20Hz~20kHz根据这个范围，我们定义次声波和超声波

声波在不同介质中的传播速度是不同的常温常压下，声波在固体中的传播速度最快，其次是液体和气体

由于液体比气体具有更好的传声效果，所以超声波清洗机在工作时需要加入液体作为传输介质，以达到更好的清洗效果。

02.小气泡，大能量。

复习完声波的相关知识，我们来看看这样的高频声波作用在这一滩液体上，会发生什么奇怪的现象。

通过观察实验室的超声波清洗机，边肖发现机器工作时，液体表面会出现波纹，没有气泡的液体中会出现许多颤动的气泡。

仅凭肉眼，看不出任何端倪。这个时候，你需要一些道具...

我的耳朵多么震惊啊！表面看起来是一个一直在振动的气泡，其实经历了一个从中间向内下沉，然后穿孔，最后破成无数个小气泡的过程。

如此神奇的现象背后是什么机制其实并不复杂

前面我们说过，声波在液体中只能以纵波的形式传播，纵波在传播过程中会造成液体中局部压力的不平衡。

纵波传播过程中不同区域压力示意图

因为压力下降很快，在这些低压区，通常可以形成内部有真空的气泡。

因为纵波一直在扩散，这些低压区很快就会感受到一股高压的到来，所以会有一个从中间开始的低压过程，然后穿孔把整个气泡戳破。

高压过去后，另一个低压又来了，新一轮的过程开始，周而复始。

整个过程称为超声波空化人眼观察不到细节的原因是超声波的频率太高，高低压交替太快，人眼根本分辨不出来

虽然这个过程人眼很难捕捉到，但是不要低估这些气泡破裂时的威力。

由于气泡形成时内外压力差非常大，最终破裂时能量高度集中，空化可以在小范围内产生瞬时的极高压力和极高温度。

正是因为在液体中可以产生这样的极端条件，物品表面的污垢才能脱落，从而起到清洁的作用。

03.你能回答文章开头的问题吗。

这种刺耳的河马小厨师声实际上来自于空化作用产生的小气泡对机器内壁的冲击。

气蚀产生的气泡冲击机器内壁。

我们前面说过，空化产生的这些小气泡可以产生小范围的瞬时极高压力和极高温度。

机器内壁一般是高强度的不锈钢，所以发生碰撞时会发出尖锐的声音。

而这个声音的频率正好在可听频率范围内，所以我们会听到这种刺耳的河马小厨师声。

没想到一次普通的超声波清洗就包含了这么多有趣的知识，但即便如此，还是那么吵...

参考数据

声音—维基百科

超声波清洗，基本理论和应用//NASA会议出版物美国航天局，1995年:369—369页

徐中华，张洪波超声波清洗的空化机理哈尔滨铁道科技，2009 :3—5

空化和气泡动力学剑桥大学出版社，2014年