超声波技术

超声波技术

一、超声波及其特点

声波是指人耳能感受到的一种纵波，其频率范围为 16kHz一ZOkHz 。当声波的频率低于 16kHz 时就叫做次声波，高于 20Hz 则称为超声波。一般把频率在20 kHz 到 25MHz 范围的声波叫做超声波。它是由机械振动源在弹性介质中激发的一种机械振动波。

其实质是以应力波的形式传递振动能量，其必要条件是要有振动源和能传递机械振动的弹性介质 (实际上包括了几乎所有的气体、液体和固体 ) ，它能透入物体内部并可以在物体中传播。

超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动模式，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式；其不同点是超声波频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性。其与电磁波相似的是可以被反射、折射和聚焦；与电磁波不同的是在传播时需要弹性介质。在固体和液体介质中超声波的纵波和横波均可传播；在气体和液体介质中只有纵波才可以传播。

超声波具有如下特性 :

★超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播;

★超声波可传递很强的能量:

★超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象;

★超声波在液体介质中传播时，达到一定程度的声功率就可在液体中的物体界面上产生强烈的冲击 (基于“空化现象”)；

★利用强功率超声波的振动作用，还可用于例如塑料等材料的“超声波焊接”。

二、超声波技术的空化作用

超声波空化作用是指存在于液体中的微气核空化泡在声波的作用下振动，当声压达到一定值时发生的生长和崩溃的动力学过程。空化作用一般包括 3 个阶段: 空化泡的形成、长大和剧烈的崩溃。

当盛满液体的容器通入超声波后，由于液体振动而产生数以万计的微小气泡，即空化泡。

这些气泡在超声波纵向传播形成的负压区生长，而在正压区迅速闭合，从而在交替正负压强下受到压缩和拉伸。

在气泡被压缩直至崩溃的一瞬间，会产生巨大的瞬时压力，一般可高达几十兆帕至上百兆帕。这种巨大的瞬时压力，可以使悬浮在液体中的固体表面受到急剧的破坏。

通常将超声波空化分为稳态空化和瞬间空化两种类型:稳态空化是指在声强较低时产生的空化泡，其大小在其平衡尺寸附近振荡，生成周期达数个循环，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，产生明显的空化作用; 瞬态空化则是指在较大的声强作用下产生的生存周期较短的空化泡(大都发生在 1个声波周期内)。

超声波广泛地运用于各个领域就是应用了其空化作用以及伴随着空化作用而产生的机械效应、热效应、化学效应、生物效应等等。机械效应和化学效应的应用，前者主要表现在非均相反应界面的增大; 后者主要是由于空化过程中产生的高温高压使得高分子分解、化学键断裂和产生自由基等。利用机械效应的过程包括吸附、结晶、电化学、非均相化学反应、过滤以及超声清洗等，利用化学效应的过程主要包括有机物降解、高分子化学反应以及其他自由基反应。

三、超声波噪声对人体的影响

超声波的空化噪声属于稳态噪声，其声波频谱谱带较宽，但以高频为主。当超声波的工作频率较低时，其噪声音一调高、响度大，令人难以忍受; 超声波的工作频率较高时，噪音很小，远低于国家规定的安全标准 (80 分贝) 。到目前为止，没有任何研究资料表明: 超声波会给人体带来伤害。

四、超声波技术在纺织上的应用

超声波通常以纵波的方式在气体、液体、固体等弹性介质内传播，高强度的超声波可以产生机械效应、热效应、生物效应等；在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象，因此超声波经常作为一种重要的加工手段被用于各行各业。在纺织领域，超声波已经用于退浆、煮练、漂白、洗涤等湿加工工序。

1、上浆

正确的上浆方法可以使经纱抵御外部复杂机械力的作用，提高可织性，避免经纱断头和织物质量降低等各种问题，保障织造的顺利进行。

传统经纱上浆是利用纱线在浆槽中受到反复浸浆和压浆作用来达到浆纱的效果。纱线在一定黏度的浆液中浸浆时，表面的纤维首先被润湿，从而黏附浆液。浆槽内部需要加热装置以实现高温上浆的需求，因此需要在浆槽外部加装循环装置，从而保证浆槽内的温度。

超声波上浆是在传统上浆纺织的浆槽中设置一定量的超声波震荡点，同时去掉浆槽的循环装置，超声波的机械作用可以产生热量，从而保证浆槽温度稳定。

(1)由于超声波的空化作用，在上浆过程中可以促进浆液对纱线的润湿、被覆和渗透，从而在相同含固率情况下，获得更高的上浆率。且浆纱扫描电子显微

镜照片显示，超声波作用可以使得浆液在纱线内部和表面得到更好的分配，在纱线表面形成更为完整的浆膜。

(2)超声波上浆方法得到的浆纱各项性能均优于传统上浆方法，且超声波上浆法的浆纱性能变异系数均小于传统上浆方法。由于超声波上浆方法可以在相同含固率的条件下提高传统上浆方法的浆纱性能，因此为获得相同的浆纱效果，采用超声波上浆方法可以适度降低浆液的含固率，从而节省原料。

(3)超声波上浆方法由于超声波的机械震动产生热量，可维持浆液一定的温度，因此可省去传统上浆中的加热装置。

(4)超声波上浆方法对浆纱性能有较强的优化作用，实现低温上浆。

2、退浆

用超声波对棉织物进行退浆效果优于常规方法，可提高退浆率。这是因为超声波的空化作用，在一定的空化温度下可使得棉织物的退浆液中空化量达到最大。形成的空化气泡能在很短的时间内在液体中产生强大的冲击波，在其周围产生很大的压力，促使退浆液迅速作用于织物，使浆料脱落。如果此时能够及时洗水去除易脱落的浆料，就能得到很好的退浆效果。

但用超声波对织物进行退浆处理也要把握一个适度的原则，如超声波的作用时间就需要控制在一个适当的范围内，若作用时间太长，就会使得已脱落的浆料在超声波的强烈作用下，重新渗入到织物里面了，与纤维结合，从而引起退浆率的下降。除此之外，超声波还可减少退浆剂的用量。这是因为超声波空化引起的分散作用可以使大分子之间产生分离，并且能够促进退浆液与浆料充分接触，故可减少退浆剂的用量。

由于超声波的吸热效应可以使反应保持在一定的温度，为反应提供能量，从而节省了其它能量。使用超声波退浆，可以减轻NaOH对纤维的降解，提高精练剂在退浆过程中的反应活性，从而减少了退浆时烧碱的使用浓度、退浆温度和时间，节约了能源，降低了环境污染。

3、煮练和漂白

超声波对棉织物漂白和毛效的影响。无论白度还是毛效上，采用超声波要比常规方法漂白效果好。随着浸渍时间的延长，白度和毛效都相应增加。这是因为在练漂过程中，超声波的空化作用可以使练漂液与纤维充分接触，一方面超声波作用于纤维使纤维内部的比表面积加大，从而增大了纤维吸附练漂液的比表面积，提高反应速率；另一方面超声波的空化作用有助于破坏发色系统，从而起到消色的作用，提高白度。同时超声波有助于织物上蜡质的乳化、污物和油垢的清除，从而改善织物的润湿性，提高毛效。

4、染色

超声波对染液的作用

液体介质在超声波作用下能产生空穴现象，并且在波腹生成驻波时可能产生空穴泡。在空穴带消失、空穴泡崩溃时会产生强烈的水力冲击。这些引发冲击波的水力冲击伴有很大的局部压力脉冲，并产生高速度梯度流。这一方面有利于染料在染液中高度的分散洲; 另一方面有利于染料在纤维外部和内部更好地扩散，使织物染得匀透，同时有可能提高染料的上染速率，缩短上染达到平衡时所需时间，提高生产率。超声波在染液中的作用，以超声波染色为例，通常被认为有3个方面:

(l)分散作用。染料对纤维的上染过程必须以单分子的状态来完成，但在染液中染料分子或离子会形成聚集体，以胶束的状态存在; 分散性染浴的染料则以染料晶体颗粒的状态存在阻碍了纤维对染料的吸收。超声波不但能使染液中的染料颗粒聚集体解聚，而且还可以将染料分散浴中染料颗粒击碎，获得粒度为1um 以下高稳定性的分散液，促进了染料对纤维的上染。此外，超声波可以提高水溶性和难溶性染料在染液中的溶解度。还有研究表明: 超声波可以提高染料对纤维的亲合力，加速了染料的吸收，提高了纤维的得色量，但不同染料亲合力提高的幅度不同。