超聲清洗，即 利用超聲波對物體表面進行清潔 ，相信大家都不陌生，無論是生活中還是工業上，都有相當廣泛的套用。
沈(shan)迷(chang)實(mo)驗(yu)的小編更是天天在與超聲清洗機打交道，其為我們 清潔各種實驗器材 立下了汗馬功勞。
但超聲清洗機有一個缺點，就是它工作時 真的好吵 ……
我們在初中二年級就學過，超聲波是 頻率超過20kHz 的聲波或振動，屬於 人耳無法聽到 的頻率範圍。
既然理應 無法聽到 ，那為何其工作時還會發出 刺耳的「滋滋」聲 ，這個聲音又是從哪裏產生的呢？
01 再度認識聲波
想要探索清楚這個問題，首先要對其中的主角—— 聲波 有一個清晰的認識。下面我們就來回顧一下初中二年級時學過的那些聲學知識。
聲波是一種 機械波 ，聲源處的質點產生 振動 ，透過 介質 （氣體、固體、液體）向周圍傳播。
如果 質點振動的方向與波的傳播方向平行 ，則稱其為 縱波 ，機械縱波在 氣體、液體、固體中均能傳播 。
如果 質點振動的方向與波的傳播方向垂直 ，則稱其為 橫波 。由於傳播機械橫波需要介質具備 切變彈性 ，故機械橫波 只能在固體中傳播 。
一般情況下我們會用 頻率 、 振幅 等物理量去描述一個波。對應於聲波，其頻率、振幅決定了聲音的 音調 和 響度 。
音調 由聲波的 頻率 （單位：赫茲 Hz）決定，頻率越大，音調越高；
響度 由聲波的 振幅 決定，響度的單位是分貝（dB），振幅越大，響度越大；
人耳可聽到的聲音訊率範圍為20Hz~20kHz，根據這個範圍，我們定義了 次聲波 （頻率低於20Hz的聲波）和 超聲波 （頻率高於20kHz的聲波）。
聲波在 不同介質 中的傳播速度是 不一樣 的， 常溫常壓下 ，聲波在固體中的傳播速度最快，其次是液體，氣體最慢。
由於液體比氣體擁有更好的傳聲效果，所以超聲清洗機在工作時需要加入液體作為傳播介質，以達到更好的清潔效果。
02 小小的氣泡，大大的能量
回顧完聲波的相關知識，下面我們就來看看如此高頻的聲波作用於這一池液體時，發生了什麽奇特的現象。
小編透過觀察實驗室裏那台超聲清洗機，發現機器工作時，液體表面出現了 波紋 ，而且原本沒有氣泡的液體出現了許多顫動的 氣泡 。
僅憑肉眼似乎看不出什麽端倪，這時候就得上點道具了……
真是驚掉耳朵！表面看似是一直在顫動的氣泡，居然經歷了一個 從中間向內凹陷 ，而後 穿孔 ，最終 破裂 成無數個小氣泡的過程。
如此神奇現象的背後到底蘊藏了什麽機理？其實並不復雜。
我們在前一部份說過，聲波在液體中只能以 縱波 的形式傳播，而縱波在傳播過程中會造成液體內 局部壓力的不平衡 。
由於壓力的快速變小，在這些低壓區域中，通常能形成 內部呈現真空狀態的氣泡 。
又因為縱波一直在傳播，這些低壓區域很快就會感受到 一股高壓襲來 ，於是就出現了從中部開始凹陷，進而穿孔使整個氣泡破裂的過程。
高壓過去後又一個低壓到來，新一輪過程開始並周期往復。
整個過程被稱為超聲波的 空化作用 ，人眼之所以無法觀察到其中的細節，是因為超聲波的頻率實在太高，高壓與低壓交替之快，以至於人眼根本無法分辨。
盡管這個過程人眼難以捕捉，但是千萬別小看這些氣泡破裂時所產生的威力。
由於氣泡形成時 內外壓強差極大 ，而且在最終破裂時 能量高度集中 ，所以空化作用能在 小範圍內 產生 一瞬間的極高壓 （幾千個大氣壓） 和極高溫 （幾千攝氏度）。
也正是因為在液體內能產生如此極端條件，物品表面的汙垢才能被脫落，從而起到清洗的作用。
03 文章開頭的問題能回答了嗎？
感覺說了半天一直沒有直面「滋滋」聲的來源這個問題，其實小編不是故意躲著不答，而是 這個「滋滋」聲和空化作用息息相關 。
這個刺耳的「滋滋」聲，其實源於 空化作用產生的小氣泡與機器內壁的撞擊 。
我們先前講過，這些由空化作用產生的小氣泡，可產生小範圍的瞬時極高壓極高溫。
而機器內壁一般都是不銹鋼材質，強度較大，故發生碰撞時就會產生較為尖銳的聲音。
而且這個聲音的頻率又恰好在人耳可聽到的頻率範圍內，所以我們就會聽到這刺耳的「滋滋」聲。
沒想到一個司空見慣的超聲清洗，居然藏有這麽多有意思的知識，不過盡管如此， 它還是好吵啊 ……
參考資料：
[1] Sound - Wikipedia
[2] Fuchs F J. Ultrasonic cleaning, fundamental theory and application[C]//NASA CONFERENCE PUBLICATION. NASA, 1995: 369-369.
[3] 許忠華,張洪波.超聲清洗的空化作用機理[J].哈爾濱鐵道科技,2009(04):3-5.
[4] Brennen C E. Cavitation and bubble dynamics[M]. Cambridge University Press, 2014.
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