利用超声光栅研究水质净化新方法

权 松 邓 宇 申芳芳

(吉林建筑工程学院基础科学部，长春 130118)

1 超生波净化水质的基本原理

通常水质净化的方法为过滤，如果希望获得高纯度纯净水，就必须采用密度较高的过滤层，会导致过滤速度太慢，容易堵塞及过滤层使用寿命缩短等不利结果，如果利用超声波的物理作用，首先使水中分散的细微杂质凝聚为较大的分子团，则可以很容易过滤除掉，达到无化学污染且高效净化水质的目的．

众所周知，人们所听到的声音是频率20 Hz～20 000 Hz的声波信号，高于20 000 Hz的声波称之为超声波．超声波的传递依照正弦曲线纵向传播，即一层强一层弱，依次传递，当弱的超声波信号作用于液体中时，会对液体产生一定的负压，使液体内形成许许多多微小的气泡，而当强的超声波信号作用于液体时，则会对液体产生一定的正压，因而，液体中形成的微小气泡被压碎．经研究证明:超声波作用于液体中时，液体中每个气泡的破裂会产生能量极大的冲击波，相当于瞬间产生几百度的高温和高达上千个大气压，这种现象被称之为“空化效应”，空化的作用可被用于清洗、雾化、乳化、等方面，正是应用水体中气泡破裂所产生的冲击波，破坏水体中有机杂质结构和带电特性，使其凝聚为絮状物，便于滤除［1］．

由于超声波的频率很高，在水体中所产生的空化作用可达到28 000次/s，几乎可以说是不断地在进行，在水体中由于空化现象所产生的气泡数量众多且无所不在，对水体的作用非常彻底，即使容器形状复杂也不会有遗漏现象．无需手工清理，在大幅提高净化程度的基础上，所用的时间缩短为原来的万分之一，可见超声波净化的效率是极高的．超声波设备使用寿命较长，约为10年，设备购置成本和耗电费用远远低于其他循环过滤方法［2］．

2 超生光栅的基本原理

当一束平面超声波在液体中以纵波的形式传播时，其声压使液体分子密度产生周期性的变化，促使液体的折射率也相应的作周期性的变化，形成所谓疏密波．这种疏密波也是折射率梯度传播的一种模式，形成的层次结构就是超声场的图像．此时，若由平行单色光沿着垂直于超声波传播的方向通过这疏密相间的液体时，就会被衍射．这一作用，类似光栅，所以称为超声光栅．由于光速远大于声速，光线很快地通过了超声场，而折射率不同层次所形成“超声光栅”可以认为是不动的．这样形成的超声光栅对光的衍射可表示为［3］:

式中，A和λ分别为超声波和光的波长;θ为k级衍射角．如果已知光波波长λ，通过测量衍射角θ，即可求出液体中超声波波长A，再测出超声振动的频率ν，就能够求出声波在液体中的传播速度V．

超声波的产生是利用压电现象的逆效应，压电晶片在交变电场的作用下，产生受迫的机械振动．当电场的频率和晶片的固有频率相同时，产生共振，振动幅度为最强．在超声波行进的方向上，放置一表面光滑的与超声波波阵面平行的金属平面反射器，那么，到达反射器表面的超声波将会被反射，而沿反方向传播．当调节反射器时液体层的厚度等于1/2超声波波长A的整数倍时，前进波与反射波叠加而形成纵驻波．其中，振幅最大的位置称为驻波的波腹，振幅为零的位置称为波节，相邻两波腹或波节的距离为A/2，由于驻波的振幅可达到单一行波振幅的两倍，这样，液体疏密变化的程度加剧了．

超声光栅原理图如图1所示．超声驻波形成光栅的特点是，在某一时刻t，相邻两个密集区域或稀疏区域的距离为超声波波长的一半，即A/2，而在半个周期后，驻波的现象则完全消失，液体的密度处于均匀状态，这种消失在视觉上是觉察不到的．所以，当光线通过驻波场时，观察驻波场的结果是，波节区为暗条纹，波腹区为亮条线．因此，若将驻波光栅成像在屏上，便可利用测微目镜在驻波光栅图像上进行测量求得超声波的波长 A［4］．

图1 装置原理图

为了在屏幕E上获得清晰的像，透镜L2到屏幕E的距离g必须仔细调节，P是屏上测量到的图形的空间观察周期．因为P是可以被测量到的，所以液体中的声波波长为:

则液体中的声速为V=2 fPv/L．其中声频v由信号源显示测出．对于杂质含量多少不同的液体，测量出的超声波速度的大小也不同，因此这个数值可以用来衡量水质的变化．

通过实验现象的观察也可以直接判断水质变化的结果．

光栅衍射条纹出现的数量的多少既k的大小与水的透明程度有直接关系，当水体杂质较多时只能观察到一级条纹，即k等于1，水被净化后，则可以观察到二三级(k=2，3)，以此来判断实验结果更具有即时性和直观性．

3 实验仪器、实验步骤和注意事项

实验仪器有:分光计、高频信号发生器、高频功率放大器、试样杯及附件、测微目镜．实验按以下步骤进行:

(1)调整光路．光路系统要求调整到等高共轴，仪器布置符合原理部分的要求，先调整分光计，使望远镜、平行光管、载物台严格水平，再调整叉丝和反射十字像清晰度，安装试样杯，调整其方向与平行光管垂直;

(2)调整声源．为了获得稳定持续的超声波，实验中用一高频信号发生器通过高频功率放大器进行功率放大后激励压电晶片构成超声源．实验时先将功率放大器输出正负极接压电晶体接线端，接通高频信号发生器预热，使输出电压调整到最小，逐步调节功率放大器输出功率，并改变正弦波频率观察超声波对液体的作用;

(3)其它方面的调整．分别调节压电晶体方向和透镜L2的位置及超声波频率v值，使屏上可观察到二级衍射条纹;

(4)超声净化处理．保持超声波持续作用时间分别为10 min，20 min，60 min，关闭电源，将试样杯内液体倒出过滤后再装回杯内，在不改变其他实验条件下，根据观察到的高级次的衍射条纹，检验液体的净化程度．

实验应注意以下事项:

(1)功率放大器直流工作电压不要超过板面电压，以免工作电流过大而发热;

(2)高频信号发生器选用1伏输出，若大于1伏可随时用微调旋钮调节;

(3)试样杯内部的压电晶片极易碎裂，避免在空气中通电使用，防止损坏样品晶片．

4 实验结果

通过多次实验证明超声波对水质及多种液体的净化作用很明显，对于未经过净化的水质在观测中能观察到1级衍射条纹(见图2)，经过一段时间超声波的作用后就可以比较容易地观察到2级衍射条纹(见图3)，通过较长时间的超声波作用，可发现液体中出现絮状物，可以过滤清除掉，水质有明显提高，并在测微目镜中可观察到3级衍射条纹(见图4)．

图2 一级衍射条纹

图3 二级衍射条纹

图4 三级衍射条纹

5 结语

通过上述实验结果可知，在净化过程中，没有引入化工材料的污染，对容器的大小和形状及材料均无特殊要求，有相当明显的经济效益，值得推广．

［1］ 吴明海，王晓聆，武宏．医用物理学［M］．北京:科学出版社，2000:60－62．

［2］ 何元金，马兴坤．近代物理实验［M］．北京:清华大学出版社，2003:211－212．

［3］ 石顺祥，张海兴，刘劲松．物理光学与应用光学［M］．西安:西安电子科技大学出版社，2002:155－161．

［4］ 周殿清．大学物理实验［M］．武汉:武汉大学出版社，2002:316－319．