Einleitung
Die ultraschallmechanische Wirkung bezeichnet den allgemeinen Begriff für verschiedene mechanische Effekte, die durch die Wechselwirkung zwischen Ultraschallwellen und dem Medium entstehen, wenn sie sich im Medium fortpflanzen. Spezifisch gesagt, verursachen Ultraschallwellen bei ihrer Fortpflanzung im Medium die Schwingung der Teilchen im Medium, und diese Schwingung erzeugt mechanische Effekte wie Verschiebung, Deformation, Beschleunigung usw.
Die auf das Medium wirkende ultraschallenergie wird die Teilchen dazu veranlassen, sich mit hoher Geschwindigkeit leicht zu bewegen, was zu Änderungen mechanischer Größen wie Geschwindigkeit, Beschleunigung, Schalldruck und Schallintensität führt und damit zu mechanischen Effekten führt. Ultraschallwellen sind eine Form der Fortpflanzung von mechanischer Energie, die im Zusammenhang mit dem Wellenprozess steht und lineare Schwingungseffekte erzeugt. Wenn Ultraschallwellen sich im Medium fortpflanzen, ist zwar die Amplitude der Teilchenverschiebung sehr klein, aber die durch Ultraschall verursachte Teilchenbeschleunigung ist sehr groß.
Wenn sich 20 kHz, 1 W/cm² Ultraschallwellen im Wasser ausbreiten, beträgt die erzeugte Schalldruckamplitude 173 kPa. Das bedeutet, dass sich der Schalldruck 20.000-mal pro Sekunde zwischen +173 kPa und -173 kPa ändern muss. Die maximale Teilchenbeschleunigung erreicht dabei 1440 km/s², was ungefähr 1500-mal die Erdbeschleunigung entspricht. Solche intensive und schnell verändernde mechanische Bewegungen sind der mechanische Schwingungseffekt des dynamischen Ultraschalls.
Wenn das ultraschallführende Medium kein gleichmäßiges, schichtiges Medium ist (wie biologisches Gewebe, menschlicher Körper usw.), werden die unterschiedlichen Schallimpedanzen jeder Schicht des Mediums dazu führen, dass sich die fortpflanzende Schallwelle reflektiert und eine Stehwellen bildet. Die Antiknoten und Knoten der Stehwellen verursachen Änderungen im Druck, in der Spannung und in der Beschleunigung. Aufgrund der unterschiedlichen Massen der Teilchen des Mediums (wie biologische Moleküle) unterscheidet sich die durch den Druckwechsel verursachte Schwingungsgeschwindigkeit, und die durch die relative Bewegung zwischen den Mediumsteilchen verursachte Dränderung ist ein weiterer Grund für den mechanischen Effekt des Ultraschalls. Der mechanische Effekt von Ultraschall wird zur Bearbeitung verwendet (Lochen, Schneiden, Kompaktieren, Oberflächenverfestigung, Schweißen, Reinigen, Polieren und Entfernen unerwünschter Filme und Schmutz usw.) und auch zur Beschleunigung anderer Prozesse wie Dispersion, Homogenisierung, Emulgation, Zerkleinern, Sterilisieren usw.
Basierend auf dem Prinzip
Das Prinzip der ultraschallinduzierten mechanischen Wirkung basiert hauptsächlich auf der Kavitationswirkung, der mechanischen Schwingungswirkung und der thermischen Wirkung, die entstehen, wenn Ultraschallwellen sich im Medium ausbreiten. Die Kavitationswirkung bedeutet, dass in der Flüssigkeit die durch Ultraschallwellen erzeugten Unterdruckgebiete dazu führen, dass Gas oder Dampf in der Flüssigkeit kleine Blasen bilden. Diese Blasen dehnen sich unter dem Einfluss von Ultraschallwellen schnell aus und kollabieren, wodurch starke Stoßkräfte entstehen. Die mechanische Schwingungswirkung bedeutet, dass sich die Teilchen im Medium schwingen, wenn Ultraschallwellen sich im Medium ausbreiten. Diese Schwingungen erzeugen Scherkräfte und Druckkräfte, wodurch sich die physikalischen Eigenschaften des Mediums ändern. Die thermische Wirkung bedeutet, dass beim Ausbreiten von Ultraschallwellen im Medium Wärme aufgrund der Schwingung und Reibung der Teilchen im Medium entsteht, was zur Erhöhung der Temperatur des Mediums führt.
Anwendungsbereiche
1. Mechanisches Rühren
Die hochfrequenten Schwingungen und der Strahlungsdruck von Ultraschall können in Gasen und Flüssigkeiten wirksames Rühren und Strömen erzeugen. Der starke Wirbelstrom und die lokal auftretenden Mikroströmungen, die durch die Kavitationsbläschen-Schwingungen an der Feststoffoberfläche entstehen, können die Oberflächenspannung und Reibung der Flüssigkeit erheblich verringern und die Grenzschicht an der Feststoff-Flüssigkeitsgrenzfläche zerstören, um so einen Effekt zu erreichen, den normales Niederfrequenz-Mechanisches Rühren nicht erreichen kann. Dieser Effekt ist die physikalische Grundlage für die Anwendungen wie Medikamentendurchdringung, Kosmetika-Einführung in die Haut, Ultraschall-Entgasung, Mischen und Verfeinern von Lebensmitteln und Kosmetika.
2. Wechselseitige Diffusion
Durch den Einsatz von Druck und Hochtemperatur-Effekten bei ultraschallinduzierter Kavitation wird die gegenseitige Penetration von Molekülen zwischen zwei Flüssigkeiten, zwei Feststoffen oder an Flüssigkeits-Feststoff- oder Flüssigkeits-Gas-Grenzflächen gefördert, um neue Materialien mit anderen Eigenschaften zu erzeugen. Die ultraschallbasierte Schweißung von Metallen oder Kunststoffen, Emulgieren, Reinigen und Verdunsten können als solche Effekte klassifiziert werden.
3. Homogenisierung
Die lokal entstehende Stoßwelle nach dem Zusammenbruch einer Kavitationsblase kann Partikel in der Flüssigkeit zermahlen und sie verfeinern; Kristalle gleichmäßig verteilen; größere und ungleichmäßige Emulsions-Tröpfchen in winzige, gleichmäßige Medikamente (wie z.B. Kontrastmittel oder Krebsmedikamente) aufspalten; und sogar Blutgerinnsel auflösen.
4. Gerinnung
Ultraschall-Vibration kann dazu führen, dass sich die in Gas- und Flüssigkeitsmedien suspendierten Partikel mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen, was die Kollisionswahrscheinlichkeit erhöht; oder stehende Wellen werden verwendet, um sie zum Antiknoten zu bringen, so dass der Koagulationsprozess eintritt. Rauchreinigung und künstlicher Regen können dieser Kategorie zugeordnet werden.
5. Mechanisches Schneiden
Aufgrund der hohen Beschleunigung der Ultraschallvibration und der akustischen Korrosion durch Kavitation können harte und spröde Materialien (Edelsteine, Keramik, Glas, Magnetschienen usw.) mit spezieller Präzision verarbeitet werden.
6. Zermahlen
Durch den Einsatz intensiver Ultraschallpulssignale können Nieren- und Gallensteine im menschlichen Körper zerquetscht werden, ohne weiche Gewebe zu schädigen.
Fazit
Ultraschallmechanische Effekte werden in der Medizin, der Industrie, der Landwirtschaft und anderen Bereichen weitgehend eingesetzt. In der medizinischen Forschung können ultraschallmechanische Effekte zur Diagnose und Behandlung von Krankheiten verwendet werden, wie z.B. Ultraschall-Lithotripsie, Ultraschall-Wundreinigung usw. Im industriellen Bereich können ultraschallmechanische Effekte in Reinigungs-, Schweiß- und Schneidprozessen eingesetzt werden. Im landwirtschaftlichen Sektor können ultraschallmechanische Effekte genutzt werden, um das Pflanzenwachstum zu fördern und die Erträge zu steigern.
Darüber hinaus kann die mechanische Wirkung von Ultraschall auch Gewebe weichmachen, die Penetration verbessern, den Stoffwechsel fördern, die Blutzirkulation unterstützen, das Nervensystem und die Zellfunktionen stimulieren usw., weshalb sie eine einzigartige therapeutische Bedeutung hat. Zum Beispiel kann die mechanische Wirkung von Ultraschall in der medizinischen Ultraschalltherapie die Penetration und Diffusion von Medikamenten fördern und die Wirkstoffeffizienz verbessern; gleichzeitig kann sie auch die Permeabilität der Zellmembranen stimulieren und den Zellstoffwechsel sowie die Regeneration fördern.
Kurz gesagt, ist der ultraschallinduzierte mechanische Effekt ein Sammelbegriff für die mechanischen Effekte, die auftreten, wenn Ultraschall sich in einem Medium ausbreitet. Er hat eine breite Anwendung und eine einzigartige therapeutische Bedeutung in vielen Bereichen.
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