權(quán) 松 鄧 宇 申芳芳

(吉林建筑工程學院基礎(chǔ)科學部，長春 130118)

1 超生波凈化水質(zhì)的基本原理

通常水質(zhì)凈化的方法為過濾，如果希望獲得高純度純凈水，就必須采用密度較高的過濾層，會導致過濾速度太慢，容易堵塞及過濾層使用壽命縮短等不利結(jié)果，如果利用超聲波的物理作用，首先使水中分散的細微雜質(zhì)凝聚為較大的分子團，則可以很容易過濾除掉，達到無化學污染且高效凈化水質(zhì)的目的．

眾所周知，人們所聽到的聲音是頻率20 Hz～20 000 Hz的聲波信號，高于20 000 Hz的聲波稱之為超聲波．超聲波的傳遞依照正弦曲線縱向傳播，即一層強一層弱，依次傳遞，當弱的超聲波信號作用于液體中時，會對液體產(chǎn)生一定的負壓，使液體內(nèi)形成許許多多微小的氣泡，而當強的超聲波信號作用于液體時，則會對液體產(chǎn)生一定的正壓，因而，液體中形成的微小氣泡被壓碎．經(jīng)研究證明:超聲波作用于液體中時，液體中每個氣泡的破裂會產(chǎn)生能量極大的沖擊波，相當于瞬間產(chǎn)生幾百度的高溫和高達上千個大氣壓，這種現(xiàn)象被稱之為“空化效應”，空化的作用可被用于清洗、霧化、乳化、等方面，正是應用水體中氣泡破裂所產(chǎn)生的沖擊波，破壞水體中有機雜質(zhì)結(jié)構(gòu)和帶電特性，使其凝聚為絮狀物，便于濾除［1］．

由于超聲波的頻率很高，在水體中所產(chǎn)生的空化作用可達到28 000次/s，幾乎可以說是不斷地在進行，在水體中由于空化現(xiàn)象所產(chǎn)生的氣泡數(shù)量眾多且無所不在，對水體的作用非常徹底，即使容器形狀復雜也不會有遺漏現(xiàn)象．無需手工清理，在大幅提高凈化程度的基礎(chǔ)上，所用的時間縮短為原來的萬分之一，可見超聲波凈化的效率是極高的．超聲波設(shè)備使用壽命較長，約為10年，設(shè)備購置成本和耗電費用遠遠低于其他循環(huán)過濾方法［2］．

2 超生光柵的基本原理

當一束平面超聲波在液體中以縱波的形式傳播時，其聲壓使液體分子密度產(chǎn)生周期性的變化，促使液體的折射率也相應的作周期性的變化，形成所謂疏密波．這種疏密波也是折射率梯度傳播的一種模式，形成的層次結(jié)構(gòu)就是超聲場的圖像．此時，若由平行單色光沿著垂直于超聲波傳播的方向通過這疏密相間的液體時，就會被衍射．這一作用，類似光柵，所以稱為超聲光柵．由于光速遠大于聲速，光線很快地通過了超聲場，而折射率不同層次所形成“超聲光柵”可以認為是不動的．這樣形成的超聲光柵對光的衍射可表示為［3］:

式中，A和λ分別為超聲波和光的波長;θ為k級衍射角．如果已知光波波長λ，通過測量衍射角θ，即可求出液體中超聲波波長A，再測出超聲振動的頻率ν，就能夠求出聲波在液體中的傳播速度V．

超聲波的產(chǎn)生是利用壓電現(xiàn)象的逆效應，壓電晶片在交變電場的作用下，產(chǎn)生受迫的機械振動．當電場的頻率和晶片的固有頻率相同時，產(chǎn)生共振，振動幅度為最強．在超聲波行進的方向上，放置一表面光滑的與超聲波波陣面平行的金屬平面反射器，那么，到達反射器表面的超聲波將會被反射，而沿反方向傳播．當調(diào)節(jié)反射器時液體層的厚度等于1/2超聲波波長A的整數(shù)倍時，前進波與反射波疊加而形成縱駐波．其中，振幅最大的位置稱為駐波的波腹，振幅為零的位置稱為波節(jié)，相鄰兩波腹或波節(jié)的距離為A/2，由于駐波的振幅可達到單一行波振幅的兩倍，這樣，液體疏密變化的程度加劇了．

超聲光柵原理圖如圖1所示．超聲駐波形成光柵的特點是，在某一時刻t，相鄰兩個密集區(qū)域或稀疏區(qū)域的距離為超聲波波長的一半，即A/2，而在半個周期后，駐波的現(xiàn)象則完全消失，液體的密度處于均勻狀態(tài)，這種消失在視覺上是覺察不到的．所以，當光線通過駐波場時，觀察駐波場的結(jié)果是，波節(jié)區(qū)為暗條紋，波腹區(qū)為亮條線．因此，若將駐波光柵成像在屏上，便可利用測微目鏡在駐波光柵圖像上進行測量求得超聲波的波長 A［4］．

圖1 裝置原理圖

為了在屏幕E上獲得清晰的像，透鏡L2到屏幕E的距離g必須仔細調(diào)節(jié)，P是屏上測量到的圖形的空間觀察周期．因為P是可以被測量到的，所以液體中的聲波波長為:

則液體中的聲速為V=2 fPv/L．其中聲頻v由信號源顯示測出．對于雜質(zhì)含量多少不同的液體，測量出的超聲波速度的大小也不同，因此這個數(shù)值可以用來衡量水質(zhì)的變化．

通過實驗現(xiàn)象的觀察也可以直接判斷水質(zhì)變化的結(jié)果．

光柵衍射條紋出現(xiàn)的數(shù)量的多少既k的大小與水的透明程度有直接關(guān)系，當水體雜質(zhì)較多時只能觀察到一級條紋，即k等于1，水被凈化后，則可以觀察到二三級(k=2，3)，以此來判斷實驗結(jié)果更具有即時性和直觀性．

3 實驗儀器、實驗步驟和注意事項

實驗儀器有:分光計、高頻信號發(fā)生器、高頻功率放大器、試樣杯及附件、測微目鏡．實驗按以下步驟進行:

(1)調(diào)整光路．光路系統(tǒng)要求調(diào)整到等高共軸，儀器布置符合原理部分的要求，先調(diào)整分光計，使望遠鏡、平行光管、載物臺嚴格水平，再調(diào)整叉絲和反射十字像清晰度，安裝試樣杯，調(diào)整其方向與平行光管垂直;

(2)調(diào)整聲源．為了獲得穩(wěn)定持續(xù)的超聲波，實驗中用一高頻信號發(fā)生器通過高頻功率放大器進行功率放大后激勵壓電晶片構(gòu)成超聲源．實驗時先將功率放大器輸出正負極接壓電晶體接線端，接通高頻信號發(fā)生器預熱，使輸出電壓調(diào)整到最小，逐步調(diào)節(jié)功率放大器輸出功率，并改變正弦波頻率觀察超聲波對液體的作用;

(3)其它方面的調(diào)整．分別調(diào)節(jié)壓電晶體方向和透鏡L2的位置及超聲波頻率v值，使屏上可觀察到二級衍射條紋;

(4)超聲凈化處理．保持超聲波持續(xù)作用時間分別為10 min，20 min，60 min，關(guān)閉電源，將試樣杯內(nèi)液體倒出過濾后再裝回杯內(nèi)，在不改變其他實驗條件下，根據(jù)觀察到的高級次的衍射條紋，檢驗液體的凈化程度．

實驗應注意以下事項:

(1)功率放大器直流工作電壓不要超過板面電壓，以免工作電流過大而發(fā)熱;

(2)高頻信號發(fā)生器選用1伏輸出，若大于1伏可隨時用微調(diào)旋鈕調(diào)節(jié);

(3)試樣杯內(nèi)部的壓電晶片極易碎裂，避免在空氣中通電使用，防止損壞樣品晶片．

4 實驗結(jié)果

通過多次實驗證明超聲波對水質(zhì)及多種液體的凈化作用很明顯，對于未經(jīng)過凈化的水質(zhì)在觀測中能觀察到1級衍射條紋(見圖2)，經(jīng)過一段時間超聲波的作用后就可以比較容易地觀察到2級衍射條紋(見圖3)，通過較長時間的超聲波作用，可發(fā)現(xiàn)液體中出現(xiàn)絮狀物，可以過濾清除掉，水質(zhì)有明顯提高，并在測微目鏡中可觀察到3級衍射條紋(見圖4)．

圖2 一級衍射條紋

圖3 二級衍射條紋

圖4 三級衍射條紋

5 結(jié)語

通過上述實驗結(jié)果可知，在凈化過程中，沒有引入化工材料的污染，對容器的大小和形狀及材料均無特殊要求，有相當明顯的經(jīng)濟效益，值得推廣．

［1］ 吳明海，王曉聆，武宏．醫(yī)用物理學［M］．北京:科學出版社，2000:60－62．

［2］ 何元金，馬興坤．近代物理實驗［M］．北京:清華大學出版社，2003:211－212．

［3］ 石順祥，張海興，劉勁松．物理光學與應用光學［M］．西安:西安電子科技大學出版社，2002:155－161．

［4］ 周殿清．大學物理實驗［M］．武漢:武漢大學出版社，2002:316－319．