超声清洗，即 利用超声波对物体表面进行清洁 ，相信大家都不陌生，无论是生活中还是工业上，都有相当广泛的应用。
沉(shan)迷(chang)实(mo)验(yu)的小编更是天天在与超声清洗机打交道，其为我们 清洁各种实验器材 立下了汗马功劳。
但超声清洗机有一个缺点，就是它工作时 真的好吵 ……
我们在初中二年级就学过，超声波是 频率超过20kHz 的声波或振动，属于 人耳无法听到 的频率范围。
既然理应 无法听到 ，那为何其工作时还会发出 刺耳的「滋滋」声 ，这个声音又是从哪里产生的呢？
01 再度认识声波
想要探索清楚这个问题，首先要对其中的主角—— 声波 有一个清晰的认识。下面我们就来回顾一下初中二年级时学过的那些声学知识。
声波是一种 机械波 ，声源处的质点产生 振动 ，通过 介质 （气体、固体、液体）向周围传播。
如果 质点振动的方向与波的传播方向平行 ，则称其为 纵波 ，机械纵波在 气体、液体、固体中均能传播 。
如果 质点振动的方向与波的传播方向垂直 ，则称其为 横波 。由于传播机械横波需要介质具备 切变弹性 ，故机械横波 只能在固体中传播 。
一般情况下我们会用 频率 、 振幅 等物理量去描述一个波。对应于声波，其频率、振幅决定了声音的 音调 和 响度 。
音调 由声波的 频率 （单位：赫兹 Hz）决定，频率越大，音调越高；
响度 由声波的 振幅 决定，响度的单位是分贝（dB），振幅越大，响度越大；
人耳可听到的声音频率范围为20Hz~20kHz，根据这个范围，我们定义了 次声波 （频率低于20Hz的声波）和 超声波 （频率高于20kHz的声波）。
声波在 不同介质 中的传播速度是 不一样 的， 常温常压下 ，声波在固体中的传播速度最快，其次是液体，气体最慢。
由于液体比气体拥有更好的传声效果，所以超声清洗机在工作时需要加入液体作为传播介质，以达到更好的清洁效果。
02 小小的气泡，大大的能量
回顾完声波的相关知识，下面我们就来看看如此高频的声波作用于这一池液体时，发生了什么奇特的现象。
小编通过观察实验室里那台超声清洗机，发现机器工作时，液体表面出现了 波纹 ，而且原本没有气泡的液体出现了许多颤动的 气泡 。
仅凭肉眼似乎看不出什么端倪，这时候就得上点道具了……
真是惊掉耳朵！表面看似是一直在颤动的气泡，居然经历了一个 从中间向内凹陷 ，而后 穿孔 ，最终 破裂 成无数个小气泡的过程。
如此神奇现象的背后到底蕴藏了什么机理？其实并不复杂。
我们在前一部分说过，声波在液体中只能以 纵波 的形式传播，而纵波在传播过程中会造成液体内 局部压力的不平衡 。
由于压力的快速变小，在这些低压区域中，通常能形成 内部呈现真空状态的气泡 。
又因为纵波一直在传播，这些低压区域很快就会感受到 一股高压袭来 ，于是就出现了从中部开始凹陷，进而穿孔使整个气泡破裂的过程。
高压过去后又一个低压到来，新一轮过程开始并周期往复。
整个过程被称为超声波的 空化作用 ，人眼之所以无法观察到其中的细节，是因为超声波的频率实在太高，高压与低压交替之快，以至于人眼根本无法分辨。
尽管这个过程人眼难以捕捉，但是千万别小看这些气泡破裂时所产生的威力。
由于气泡形成时 内外压强差极大 ，而且在最终破裂时 能量高度集中 ，所以空化作用能在 小范围内 产生 一瞬间的极高压 （几千个大气压） 和极高温 （几千摄氏度）。
也正是因为在液体内能产生如此极端条件，物品表面的污垢才能被脱落，从而起到清洗的作用。
03 文章开头的问题能回答了吗？
感觉说了半天一直没有直面「滋滋」声的来源这个问题，其实小编不是故意躲着不答，而是 这个「滋滋」声和空化作用息息相关 。
这个刺耳的「滋滋」声，其实源于 空化作用产生的小气泡与机器内壁的撞击 。
我们先前讲过，这些由空化作用产生的小气泡，可产生小范围的瞬时极高压极高温。
而机器内壁一般都是不锈钢材质，强度较大，故发生碰撞时就会产生较为尖锐的声音。
而且这个声音的频率又恰好在人耳可听到的频率范围内，所以我们就会听到这刺耳的「滋滋」声。
没想到一个司空见惯的超声清洗，居然藏有这么多有意思的知识，不过尽管如此， 它还是好吵啊 ……
参考资料：
[1] Sound - Wikipedia
[2] Fuchs F J. Ultrasonic cleaning, fundamental theory and application[C]//NASA CONFERENCE PUBLICATION. NASA, 1995: 369-369.
[3] 许忠华,张洪波.超声清洗的空化作用机理[J].哈尔滨铁道科技,2009(04):3-5.
[4] Brennen C E. Cavitation and bubble dynamics[M]. Cambridge University Press, 2014.
编辑： Eric
