초음파 기계적 효과

서론

초음파 기계적 효과란, 초음파가 매체 내에서 전파될 때 초음파와 매체 간의 상호작용으로 인해 발생하는 다양한 기계적 효과를 총칭합니다. 구체적으로, 초음파가 매체 내에서 전파될 때 매체 내의 입자는 진동을 일으키며, 이 진동은 변위, 변형, 가속 등과 같은 기계적 효과를 생성합니다.

초음파 에너지가 매질에 작용하면 입자가 고속으로 약간 진동하여 속도, 가속도, 소리 압력 및 소리 강도와 같은 기계적 양에 변화가 발생하여 기계적 효과를 일으키게 됩니다. 초음파는 파 과정과 관련된 기계적 에너지 전달의 한 형태로 선형 진동 효과를 생성합니다. 초음파가 매질에서 전파될 때, 입자의 변위 진폭은 매우 작더라도 초음파로 인해 발생하는 입자 가속도는 매우 큽니다.

20kHz, 1W/cm²의 초음파가 물에서 전파될 때 발생하는 소리 압력 진폭은 173kPa로, 이는 소리 압력 진폭이 매초 양과 음 173kPa 사이를 2만 번 변화한다는 것을 의미하며, 최대 입자 가속도는 1440km/s²에 도달하여 중력 가속도의 약 1500배에 해당합니다. 이러한 강렬하고 빠르게 변화하는 기계적 운동이 파워 초음파의 기계적 진동 효과입니다.

초음파 매체가 균일한 층 매체가 아닌 경우(예: 생물학적 조직, 인체 등), 매체의 각 층마다 다른 음향 임피던스가 소리 파동의 반사와 서행파 형성을 유발합니다. 서행파의 항진과 진동은 압력, 인장력 및 가속도에 변화를 초래합니다. 서로 다른 매질 입자들의 질량 차이(예: 생물학적 분자)로 인해 압력 변화에 의해 발생하는 진동 속도는 다를 수 있으며, 매질 입자 간 상대 운동으로 인한 압력 변화는 초음파 기계 효과의 또 다른 원인입니다. 초음파의 기계적 효과는 가공(펀칭, 절단, 압축, 표면 강화, 용접, 세척, 연마 및 불필요한 막과 오염물 제거 등)에 사용되며, 분산, 균질화, 에멀젼화, 분쇄, 살균 등의 다른 과정을 가속화하는 데에도 사용됩니다.

원리에 기반하여

초음파 기계 효과의 원리는 주로 초음파가 매체에서 전파될 때 생성되는 공극화 효과, 기계적 진동 효과 및 열 효과에 기반합니다. 공극화 효과란 액체에서 초음파가 생성하는 음압 영역이 액체 내의 기체나 증기를 작은 기포로 형성하게 하는 것을 의미합니다. 이러한 기포는 초음파의 작용으로 빠르게 팽창하고 붕괴하며 강력한 충격력을 발생시킵니다. 기계적 진동 효과란 초음파가 매체에서 전파될 때 매체 내의 입자가 진동하는 것을 의미합니다. 이 진동은 전단력과 압축력을 생성하여 매체의 물리적 특성을 변화시킵니다. 열 효과란 초음파가 매체에서 전파될 때 매체 내의 입자들이 진동하고 마찰하면서 열이 발생하여 매체의 온도가 상승하는 것을 의미합니다.

적용 분야

1. 기계적 교반

초음파의 고주파 진동과 복사 압력은 기체와 액체 내에서 효과적인 교반 및 흐름을 형성할 수 있습니다. 캐비테이션 버블의 진동에 의해 고체 표면에서 발생하는 강한 제트와 국소 미세 유동은 액체의 표면 장력과 마찰을 현저히 감소시키고, 고체-액체 계면의 경계층을 파괴함으로써 일반적인 저주파 기계적 교반으로는 달성할 수 없는 효과를 얻게 됩니다. 이러한 효과는 약물의 피부 침투, 화장품의 피부 도입, 초음파 탈기, 식품 및 화장품 혼합 및 정제 응용에서의 물리적 기초가 됩니다.

상호 확산

초음파 진동과 공극 현상의 압력 및 고온 효과를 이용하여 두 액체, 두 고체 또는 액체-고체 또는 액체-기체 인터페이스 사이의 분자 상호 침투를 촉진하여 새로운 물질 속성을 형성합니다. 금속 또는 플라스틱의 초음파 용접, 초음파 유화, 세척 및 분무는 이러한 효과로 분류될 수 있습니다.

3. 균질화

공극 기포가 닫힐 때 생성된 국부적 충격파는 액체 내 입자를 부수고 이를 미세화하며, 결정을 균일하게 만들고, 크고 불균일한 유화액 방울을 더 작은 균일한 약물(예: 의료 대비제, 항암제 등)로 분산시키며, 심지어 혈전 용해 효과도 포함합니다.

4. 응집

초음파 진동은 기체 및 액체 매체 내의 현탁 입자를 서로 다른 속도로 움직이게 하여 충돌 확률을 증가시키거나, 서파를 사용하여 입자를 반절점으로 이동하게 함으로써 응집 과정이 발생하게 합니다. 연기 입자 수집과 인공 강수는 이 카테고리에 속할 수 있습니다.

5. 기계적 절단

초음파 진동의 큰 가속도와 공기 중 캐비테이션의 부식 작용으로 인해 보석, 세라믹, 유리, 자석 등과 같은 단단하고Brittle한 재료를 특수한 정밀도로 가공할 수 있습니다.

6. 분쇄

강렬한 초음파 펄스를 사용하면 신체의 신장 결석과 담석을 연부 조직에 손상을 주지 않고 분쇄할 수 있습니다.

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초음파 기계적 효과는 의학, 산업, 농업 및 기타 분야에서 널리 사용됩니다. 의료 분야에서는 초음파 기계적 효과가 질병의 진단과 치료에 사용될 수 있습니다. 예를 들어, 초음파 결석 파쇄술, 초음파 상처 세척 등이 있습니다. 산업 분야에서는 초음파 기계적 효과가 세척, 용접, 절단 등의 과정에서 사용될 수 있습니다. 농업 분야에서는 초음파 기계적 효과가 식물 성장을 촉진하고 작물 수확량을 증가시키는 데 사용될 수 있습니다.

또한 초음파의 기계적 작용은 조직을 부드럽게 하고 침투력을 높이며 대사 작용을 개선하고 혈액 순환을 촉진하며 신경 시스템과 세포 기능을 자극하는 등 다양한 효과를 가지고 있어 독특한 치료적 의의가 있습니다. 예를 들어, 의학적 초음파 요법에서 초음파의 기계적 효과는 약물의 흡수와 확산을 촉진하고 약물의 효능을 향상시킬 수 있으며 동시에 세포 막의 투과성을 자극하고 세포 대사와 재생을 촉진할 수 있습니다.

요약하면, 초음파 기계적 효과는 초음파가 매체에서 전파될 때 발생하는 기계적 효과의 총칭으로서 여러 분야에서 넓은 응용 범위와 독특한 치료적 의의를 가지고 있습니다.