超声波

超声波是指频率在20 kHz～106 kHz 的机械波, 波速一般为1 500 m/ s ,波长为0. 01 cm～10 cm。超 声波的波长远大于分子尺寸,说明超声波本身不能 直接对分子起作用,而是通过周围环境的物理作用 影响分子,所以超声波的作用与其作用的环境密切 相关。超声波既是一种波动形式,又是一种能量形 式,在传播过程中与媒介相互作用产生超声效应。 超声波与媒介相互作用可分为机械作用、空化作用 和热作用。

随着科学技术的发展,相关技术领域相互渗透,

使超声波技术广泛应用于工业、化工、医学、石油化 工等许多领域。超声波作为一种特殊的能量输入方 式,所具有的高效能在材料化学中起到光、电、热方 法所无法达到的作用[1 ] 。仅从超声波在液体中释 放的巨大能量来说就是其他方法所望尘莫及的,更 不用说超声波定量控制的效果了。近年来,随着超 声波技术的日益发展与成熟,其在新材料合成、化学 反应、传递过程的强化以及废水处理等领域都得到 了广泛的应用[2 ] 。在材料合成中,尤其是纳米材料 的制备中,超声波技术有着极大的潜力。通过超声 波方法制备纳米材料,达到了目前我们采用激光、紫 外线照射和热电作用所无法实现的目标,具有很好 的前景。

1 超声波的特性及作用原理 1. 1 超声波的特性

与可闻波相比,超声波由于频率高、波长短,在

传播过程中具有许多特性:

1) 方向性好。由于超声波的功率高,其波长较 同样介质中的声波波长短得多,衍射现象不明显,所 以超声波的传播方向好。

2) 能量大。超声波在介质中传播时,当振幅相 同时,振动频率越高能量越大。因此,它比普通声波 具有大得多的能量。

3) 穿透能力强。超声波虽然在气体中衰减很 强,但在固体和液体中衰减较弱。在不透明的固体 中,超声波能够穿透几十米的厚度,所以超声波在固 体和液体中应用较广。

4) 引起空化作用。在液体中传播时,超声波与 声波一样是一种疏密的振动波,液体时而受拉时而 逐级压,产生近于真空或含少量气体的空穴。在声 波压缩阶段,空穴被压缩直至崩溃。在空穴崩溃时 产生放电和发光现象,这种现象称为空化作用。 1. 2 超声波的作用原理

超声波在传播过程中与媒介相互作用,相位和 振幅发生变化,使媒质的一些物理、化学和生物特性 或状态发生改变,或者使这种改变的过程加快,从而 产生一系列效应,如力学、热学、化学和生物效应等。 这些效应可归结为以下三种基本作用[3 ] : 1. 2. 1 热作用

超声波在媒质中传播时,大振幅声波会形成锯 齿形波面的周期性激波,在波面处造成很大的压强 梯度。振动能量不断被媒质吸收转化为热量而使媒 质温度升高,吸收的能量可升高媒质的整体温度和 边界外的局部温度等。 1. 2. 2 机械作用

超声波是机械能量的传递形式,与波动过程有关, 会产生线性的交变振动作用,原点位移、振动速度、加 速度以及声压参数可以表现超声效应。超声波在液体 中传播时,其间质点位移振幅虽然很小,但超声引起的 质点加速度却非常大。当20 kHz、1 W/ m2 的超声波在 水中传播时,其产生的超声波压力在- 173 kPa～ 173 kPa ,最大质点加速度达14. 4 km/ s2 。因此,超 声波作用于液体时会产生激烈而快速变化的机械运 动。

1. 2. 3 空化作用

超声波声化学效应的主要作用之一是声空化。 声空化是指液体中的微小泡核(空化泡) 在超声波作 用下被激活产生振动,当声压达到一定值时发生振 荡、生长、收缩乃至崩溃的一系列动力学过程。空化 气泡在超声的作用下经历超声的稀疏相和压缩相 时,气泡经多次周期振荡最终以高速崩裂。由于空 化气泡寿命极短(约0. 1μs) ,可产生高速(110 m/ s) 微

射流,碰撞密度高达1. 5 kg/ m2 ,产生高电流,并伴有 强烈的冲击波。空化使气相反应温度达5 000 K左 右,液相反应温度达1 900 K左右,局部压力50 MPa , 温度变化率高达1. 0 ×109 K/ s[4 ] 。这样可使媒质在 空化气泡内发生化学键破裂、水相燃烧或热分解,并 可促进均相界面的扰动和相界面的更新,从而加速 界面间的传质和传热过程。 2 超声波技术的应用现状

超声技术是一门以物理、电子、机械以及材料为 基础的通用技术之一。目前,超声技术的应用已经 深入到社会生活的各个领域。超声技术是通过声波 的产生、传播及接收的物理过程而完成的,它的应用 研究正是结合超声波之独有特性而展开的。 2. 1 超声波技术在废水处理中的应用 超声波对废水的处理主要利用空化作用以及由 此引发的物理和化学变化。在超声波空化产生的局 部高温、高压环境下,水被分解,产生〃H 和〃OH 自 由基(〃OH 的氧化能力仅次于元素F) 。另外,溶解 在溶液中的空气(N2 和O2) 也可以发生自由基裂解 反应,产生〃N 和〃O 自由基,这些自由基会进一步引 发有机分子的断链、自由基的转移和氧化还原反应, 从而对废水进行有效的处理。

超声技术可用于各种难降解的废水,目前已用

于卤代脂肪烃[5 ] 、单环芳香族化合物和多环芳 烃[6 ] 、酚类、氯化烃、有机酸和染料等有机物,并取 得了良好的效果。Kot ronaron[7 ]采用超声技术处理 含P、S 的废水, 结果完全转化为PO2 - 4 和SO2 - 4 。

Hoflman 等发现卤代烃、杀虫剂、苯酚和酯类物质在超 声的作用下能够降解成短链的有机酸、CO2 和无机离 子。祁梦兰[8 ]利用超声处理染料废水,发现废水的可 生化性提高,BOD2/ COD 由0. 22～0. 28 上升到0. 44～ 0. 51 。Pertier[9 ]研究了超声生化处理四氯酚、五氯 酚等,发现这些物质基本上降解为CO2 和H2O ;生 化处理中, 在曝气同时进行超声处理1 h , 可除去 10 %～60 %的低分子量氯代有机物。 2. 2 超声波技术在造纸工业中的应用 超声技术以其作用力强、作用面宽、对环境无污 染的特点在造纸工业中得到了很好的应用,特别在 废纸的回收利用、废水处理和纸张在线检测方面显 示了广阔的应用前景。

研究发现,在纤维预处理过程中,用超声波处理 木浆具有与机械打浆、精浆相似的效果,可对纤维细 胞壁产生位移、变形以及细纤维化等作用[10 ] 。唐爱 民等[11 ]将超声技术应用于速生材木浆纤维的预处

理,实验发现,超声波处理不仅对纤维有机械打浆效 应,而且经超声波处理后,纤维的保水值增大,纤维 的可及度和反应性能显著提高。刘丽[12 ]等用超声 波技术处理芳纶纤维,研究发现,超声作用可以活化 纤维表面,使芳纶表面含氧官能团增加,纤维表面张 力中极性分子增加了23. 5 %;研究还发现,超声对 纤维表面有刻蚀作用,纤维比表面增加了35 % ,大 大提高了纤维的层间结合能力。

超声波在脱墨和提高纸张性能方面也都取得了 令人满意的效果。William 等[13 ]研究了超声波处理 静电复印纸的办公混合废纸油墨脱除情况,结果表 明,浮选之前采用间歇法或连续法超声波处理能够 裂解油墨粒子,降低油墨粒子尺寸,裂解后的油墨粒 子采用浮选的方法较易脱除。伍红、谢益民等[14 ]进 行了酶与超声波协同作用对废旧彩色胶印新闻纸的 脱墨研究,处理后浆的白度比空白样提高5 % ISO , 无机颜料含量明显降低,纤维表面的油墨粒子大部

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分被除掉。研究发现,超声波的主要作用是提高了 酶对纤维素表面碳水化合物的水解速度,因而有利 于油墨的脱除。

2. 3 超声波技术在防除结垢中的应用

Nishida[15 ] 、Dalas[16 ]研究表明,超声波防垢主要 西 化工 山

是利用超声波强声场处理流体,在超声场作用下流 体中成垢物质的物理形态和化学性能发生一系列变 化,使之分散、粉碎、松散、松脱而不易附着管壁形成 积垢。目前,与传统清垢方法有着本质区别的超声 波防垢,因其具有在线连续工作、自动化程度高、工 作性质可靠、无环境污染和运行费用低等特点,被大 量应用在防止和清除水质结垢的管线中。另外,在 流体物料结垢的管线中也取得了成功的应用,有的 甚至还应用在流体物料温度高达360 ℃的条件下。 梁成浩[17 ] 对水处理系统施加20 kHz 的超声 波,研究了其对阻垢的作用。结果表明,超声处理具 有明显的阻垢作用,阻垢率可达85 %以上,适宜的 超声处理时间间隔为10 min ,开启3 min。李淑琴 等[18 ]研究了超声技术在工业除水垢方面的作用,发 现加超声比不加超声除垢效果可提高2 倍～8 倍。 南方七间糖厂的经验表明[19 ] ,超声波防垢技术可降 低糖液黏度,使蒸发罐的传热系数和蒸发强度分别 提高42. 4 %和15. 2 % ,可停止使用化学清洗剂煮 罐。华南理工大学轻化所将其研制的超声波防除积 垢技术及设备于1998 年在广东省紫金糖厂进行工 业化应用,取得了明显效果。2001 年该项技术通过 鉴定,被认为具有广阔的应用前景和推广价值。孙 晓霞等[20 ]介绍了中国石化金陵分公司重油催化裂

化装臵油浆循环系统应用超声波防垢技术的工业试 验情况。结果表明,重油催化裂化装臵油浆循环系 统应用超声波防垢技术可行,防垢设备本体能够满足 在线运行工况的要求;向换热器管程油浆(约360 ℃) 辐射超声波能量,壳程介质进出口温差提高了3 ℃～ 5 ℃,除垢器连续运行,并使换热器的传热效果维持 在较好水平上,油浆循环系统畅通无阻。刘天庆 等[21 ]在低臭氧用量条件下,采用超声与臭氧处理相 结合的方法来控制生物垢的情况,每天用22 mg/ L～ 28 mg/ L 的臭氧水处理模拟循环冷却水3 h ,然后再 用20 kHz、20 %振幅的超声处理生物膜,结果表明, 超声技术可以十分有效地控制生物垢的生长,并移 除90 %以上在壁面已经形成的生物垢。 2. 4 超声波技术在生活及服务业中的应用 超声波在生活及服务业中主要用于清洗和消 毒。日常生活中,眼镜、首饰都可以用超声波进行清 洗,且速度快、无损伤;大型的宾馆、饭店用它清洗餐 具,不仅清洗效果好,而且还具有杀灭病毒的作用。 这主要是利用了超声波的空化效应。与其他清洗手 段相比,超声波具有以下优点:1) 清洗效果优。清 洗能力比较见表1 。2) 清洗质量高,清洗效果均匀, 一致性好。3) 缩短清洗时间并节能,降低生产成 本。4) 降低工人的生产强度,改善劳动条件。5)

绿色环保。超声波清洗采用的洗涤剂为低污染型, 易于降解。崔运花[22 ]研究了不同条件下的超声波 洗毛效果,并与传统乳化洗毛进行了对比。研究结 果表明,利用超声波洗毛可以降低洗毛温度,缩短洗 毛时间,降低洗剂和助剂用量。超声波处理后的洗 净毛蓬松性好,羊毛之间不发生纠缠,白度高,洗净 毛中几乎无细小杂质,洗净毛纤维细度分布更趋集 中。虽然长时间超声波洗毛会使羊毛纤维直径变 小,断裂伸长增大,但其对纤维断裂强力无明显损 伤。目前,国内已有厂家推出超声波洗衣机。此外, 超声波洗碗机的专利也已经有人申请。 表1 超声波与其他清洗方法的清洗能力比较 清洗方法清洗程度/ % 超声波清洗100 有机溶剂清洗70 机械方法清洗50 手工清洗40 浸泡清洗20

2. 5 超声波技术在医学中的应用

自1942 年超声技术应用于医学领域以来,超声 检查已逐渐成为诊断领域里非侵入性检查的主要方 法之一。1955 年美国人莱斯科尔首次利用超声波 观测人的心脏,这项技术经不断改进,特别在使用了

微信息处理机后更趋于完善。第一台具有CFM 功 能的超声诊断仪的问世,促进了医学影像诊断设备 的迅猛发展,它标志着诊断超声学从形态学过渡到 动力学,使超声诊断设备不仅能获得人体脏器的解 剖信息,而且能获得功能信息,提高了医学诊断水 平。20 世纪70 年代发展起来的二维B 型超声成像 技术极大地扩大了超声影像设备的临床应用范围。 现在超声类诊断器种类很多,常见的有A 型超声波 诊断仪、B 型超声波诊断仪、超声心动图仪等。A 型 超声波诊断仪又称幅度调制型超声仪器,能提供体 内器官的一维信息,不能显示整个器官的形状,故常 用来测量界面距离和脏器的厚度,如判断视网膜剥 离的性质等。B 型超声波诊断仪又称断面显像仪, 它能显示的图像具有与人体解剖位臵直接对应的特

2007年2 月 席细平等,超声波技术应用现状 〃 27 〃

点,十分直观,使用方便,诊断正确率高。近年来,B 型超声显像仪已被用于许多脏器的检查。利用超声 多普勒效应来测量血流速度的仪器称为多普勒血流 仪。由超声发生器发出的超声波通过探头输出进入 血管,经血液中红血球的散射回声信号的多普勒频 移,可以测量红血球的运动速度,继而得到血流速度。 多普勒血流仪可用于了解血液动力学方面的生理病 理状况,如心脏运动状况及血管中是否存在栓塞等。

超声技术在医学上还可用来治疗疾病[23 ] 。利 用强度较低的超声波的热效应、机械效应等对疾病 部位进行“加热”和机械刺激称为超声理疗,主要包 括超声按摩、超声针灸及超声热疗。利用较强的超 声波的剧烈作用来切断、破坏某些组织称为超声手 术,主要有超声碎石和超声手术刀。 2. 6 超声波技术在军事中的应用

超声波在军事中的应用主要运用超声波方向性 好的特性。由于超声波基本上是沿直线传播的,可 以定向发射,如果渔船载有水下超声波发生器,它旋 转着向各个方向发射超声波,当超声波遇到鱼群时 会反射回来,渔船探测到反射波就知道鱼群的位臵 了,这种仪器叫声纳。它也可以用来探测水中的暗 礁和敌人的潜艇以及测量海水的深度。在现代高科 技中,虽然雷达的应用很广,但在水中依然采用落后 的声纳技术,这主要是因为海水有良好的导电性,对 电磁波的吸收能力很强,雷达无法探测水下作战目 标的方位和距离,超声波在空气中衰减较快,而在固 体、液体中的衰减却很小,这正好与电磁波相反,在 这种情况下,声纳技术可以发挥巨大的威力。由于 海水吸热能力太强,使红外线技术无用武之地;又由 于水的透光能力差,吸收光能力很强,故光学设备如 望远镜也使用不上。因此,声纳技术在特殊领域中

占有不可取代的地位。

2. 7 超声波技术在电镀工业中的应用 超声波技术在电镀工业中主要利用超声波的空 化作用,表现在:1) 空化产生的冲击波对电极表面 进行彻底清洗;2) 使氢气形成空化泡,从而加快氢 气的析出;3) 超声波空化所产生的高速微射流强化 了溶液的搅拌作用,加强了离子的运输能力,减小了 分散层厚度和浓度梯度,降低了溶液极化,加快了电 极过程,优化了电镀操作条件。实验表明,超声波空 化不仅提高了镀覆速度和效率,同时也提高了镀层 的质量,它必将在工业生产中发挥越来越大的作用。 2. 8 超声波技术在纳米材料制备中的应用 纳米材料是纳米科学中的一个重要研究发展方 向,在越来越多的领域中受到重视,成为材料科学研 究的热点。近年来,声空化作用引起的特殊物理和 化学环境为科学家制备纳米材料提供了新的途径, 声空化方法正成为制备具有特殊性能材料的一种新 技术,这其中包括超声化学法、超声雾化法等。这些 方法的出现,扩展了纳米材料的制备技术,为纳米科 学技术注入了新的活力。

著名声化学家Suslick[24 ]的研究小组在纳米结 构材料的制备和合成方面做了大量的工作,如在 0 ℃时用超声辐照Fe (CO) 3 的癸烷溶液时可产生暗

黑色的铁粉末。经元素分析可知,粉末中铁的质量 分数为96 %以上; 扫描电镜( SEM) 和透射电镜 (TEM) 的结果证实, 这种材料是由粒径4 nm～ 6 nm的粒子组成的聚集体;磁性研究表明,这是一 种非常软的铁磁性材料,居里温度高达580 K。王 建等人[25 ]以无水四氯化锡为原料,在超声波的作用 下,用溶胶2凝胶法制得纳米SnO2 ,并运用TEM 和 XRD 对其结构进行了表征。在适当的条件下制得 的纳米SnO2 粉末平均粒径为20 nm ,颗粒为球形, 粒径均匀,流动性能好,产品结构为四方晶系锡石结 构,纯度95 %以上,超声波在控制粒径大小和防止 团聚方面起到了很好的作用。林金谷等[26 ]以溶于 十氢萘的羰基铁Fe (CO) 5 和六羰基铬Cr (CO) 6 溶液 注入一套专门设计的超声微粒制备装臵,在超声功率 120 W、频率20 kHz 下分解3. 5 h ,得到粒径17 nm～ 28 nm 的Fe2Cr 合金纳米粉末。王菊香等[27 ]开发出 制备纳米粉末的超声电解法,通过控制溶液浓度、超 声功率、电解条件和电流密度等得到10 nm 以下的 铜和镍粉。该方法具有工艺简单、成本低和无毒、无 污染等特点,是制备超细金属粉末的一种新方法。 陈雪梅等首次将超声波法运用于沉淀法制备纳米 Al2O3 粉体,利用超声辐射工艺制得粒径为12 nm 的Al2O3 粉体。结果表明,超声辐射通过对液体介质

的空化作用而有效地细化了前驱体NH4Al (OH) 2CO3 沉淀颗粒,抑制了前驱体颗粒的聚焦,超声辐射延缓 了前驱体向凝胶转化过程,得到含较小包裹水和结合 水的三维疏松网络状骨架结构的凝胶。 3 展望

超声波技术已经在生活的各个领域得到了应 用,作为一种强有力的手段,必将在科学研究以及社 会生产等各方面发挥更为重要的作用,尤其在纳米 粉体材料的制备上,超声波技术有着其他研究方法 无法比拟的优越性。

微波技术的发展与应用

云南昆明陆军学院物理系 胡祥发

微波是指波长在1mm～1000mm、频率在300MHz～300GHz范围之间的电磁波，因为它的波长与长波、中波与短波相比来说，要“微小”得多，所以它也就得名为“微波”了。微波有着不同于其他波段的重要特点，它自被人类发现以来，就不断地得到发展和应用。19世纪末，人们已经知道了超高频的许多特性，赫兹用火花振荡得到了微波信号，并对其进行了研究。但赫兹本人并没有想到将这种电磁波用于通信，他的实验仅证实了麦克斯韦的一个预言──电磁波的存在。20世纪初期对微波技术的研究又有了一定的进展，1936年4月美国科学家South Worth用直径为12．5cm青铜管将9cm的电磁波传输了260m远，波导传输实验的成功激励了当时的研究者，因为它证实了麦克斯韦的另一个预言──电磁波可以在空心的金属管中传输，因此在第二次世界大战中微波技术的应用就成了一个热门的课题。战争的需要，促进了微波技术的发展，而电磁波在波导中传输的成功，又提供了一个有效的能量传输设备，微波电真空振荡器及微波器件的发展十分迅速。在1943年终于制造出了第一台微波雷达，工作波长在10cm。在第二次世界大战期间，由于迫切需要能够对敌机及舰船进行探测定位的高分辨率雷达，大大促进了微波技术的发展。第二次世界大战后，微波技术进一步迅速发展，不仅系统研究了微波技术的传输理论，而且向着多方面的应用发展，并且一直在不断地完善。我国开始研究和利用微波技术是在20世纪70年代初期，首先是在连续微波磁控管的研制方面取得重大进展，特别是大功率磁控管的研制成功，为微波技术的应用提供了先决条件。20世纪80年代，我国开始生产微波炉，到目前为止，已经发展有家用微波炉、工

业微波炉等系列产品，产品质量接近或达到世界先进水平。随着科学技术的迅猛发展，微波技术的研究向着更高频段──毫米波段和亚毫米波段发展。

一、微波的特性

一是似光性。微波波长非常小，当微波照射到某些物体上时，将产生显著的反射和折射，就和光线的反、折射一样。同时微波传播的特性也和几何光学相似，能像光线一样地直线传播和容易集中，即具有似光性。这样利用微波就可以获得方向性好、体积小的天线设备，用于接收地面上或宇宙空间中各种物体反射回来的微弱信号，从而确定该物体的方位和距离，这就是雷达导航技术的基础。

二是穿透性。微波照射于介质物体时，能深入该物体内部的特性称为穿透性。例如微波是射频波谱中惟一能穿透电离层的电磁波（光波除外）。因而成为人类外层空间的“宇宙窗口”；微波能穿透生物体，成为医学透热疗法的重要手段；毫米波还能穿透等离子体，是远程导弹和航天器重返大气层时实现通信和末端制导的重要手段。

三是信息性。微波波段的信息容量是非常巨大的，即使是很小的相对带宽，其可用的频带也是很宽的，可达数百甚至上千兆赫。所以现代多路通信系统，包括卫星通信系统，几乎无例外地都是工作在微波波段。此外，微波信号还可提供相位信息、极化信息、多普勒频率信息。这在目标探测、遥感、目标特征分析等应用中是十分重要的。

四是非电离性。微波的量子能量不够大，因而不会改变物质分子的内部结构或破坏其分子的化学键，所以微波和物体之间的作用是非电离的。而由物理学可知，分子、原子和原子核在外加电磁场的周期力作用下所呈现的许多共振现象都发生在微波范围，因此微波为探索物质的内部结构和基本特性提供了有效的研究手段。

微波技术是近代科学研究的重大成就之一，几十年来，它已经发展成为一门比较成熟的学科，在雷达、通信、导航、电子对抗等许多领域得到了广泛的应用，军事科学家们还应用微波的作用机理，研制新概念武器──微波武器。而微波的另一方面的应用就是作为能源应用于工农业生产及人们的日常生活中，例如微波加热与解冻、微波于燥、微波灭菌与杀虫等方面，特别是随着微波炉的日益普及，使得微波炉产品也进人了寻常百姓的家中，直接为人类造福。

二、微波加热原理与微波炉

提起微波，很多人首先想到现代炊具微波炉。微波炉的微波加热原理是基于物质对微波的吸收作用而产生的热效应。微波加热的是一些能够吸收微波的吸收性介质，即含有极性分子的介质材料。当有极性分子的介质材料置于微波电磁场中时，介质材料中会形成偶极子或已有的偶极子重新排列，在交变电磁场的作用下，并随着高频交变电磁场以每秒高达数亿次的速度摆动，分子要随着不断变化的高频电场的方向重新排列，就必须克服分子原有的热运动和分子相互间作用的干扰和阻碍，产生类似于摩擦的作用，实现分子水平的“搅拌”，从而产生大量的热量。由于微

波频率高，极性分子摆动速度很快，因此，快速加热是微波加热的突出特点。水分子是极性分子，绕其对称轴的旋转频率为22吉赫，在此频率的水对微波产生共振吸收现象，对微波有很强的吸收作用。而一般食品中都含有水分子，因此可用微波快速烘干和烹调食品。

微波炉是一种多功能、快捷、方便、能量转化均匀的加热工具。微波在生物内转化为热量的热效应，它不同于常规加热。常规加热是首先通过传导、对流、辐射的传热方式加热固体周围的环境或固体表面，使固体的表面得到热量，然后再通过热传导的方式将热量传到固体内部，其加热介质可以是热空气、炉气、过热蒸汽，也可以是远红外线辐射等。这种加热方式效率低，加热时间长。而微波加热是一种“冷热源”，它在产生和接触到物体时，不是一般热气，而是电磁能，要在生物体内经过分子内部作用才能转化为热能。因此，使用这种能源加热时，不会像其他能源那样由外向内传输热能，当内部发热时，外表就可能焦糊了。而使用微波进行加热时，由于它能深入到物体的内部，所以是里外一起加热。另因物体表外的水分一般都较少，往往是里面的湿度高于表面的湿度，且内部物质如果质地相同时，也往往是同时加热，就不会出现加热体表面烧焦的现象，并能保护表面形状的色彩。所以，微波炉既能用于工业、医疗上进行加热与解冻、烘烤与干燥等，还能用于家庭进行烹饪、野外军事训练进行后勤保障的应用。

三、微波的杀伤机理与微波武器

什么是微波武器？微波武器是利用高功率微波束毁坏敌方电子设备和杀伤作战人员的一种定向能武器。用做武器的微波波长通常在30—3厘米、频率为1～30吉赫、输出脉冲功率在吉瓦级。目前，美、俄、英、法等国研制的微波武器主要分为两大类：一类是高功率微波波束武器，另一类是微波炸弹。微波波束武器是由能源系统、高功率微波系统和高增益定向天线组成。主要是利用高功率波源产生的微波经增益定向天线向空间发射出去，形成功率高、能量集中且具有方向性的微波射束，使之成为一种杀伤破坏性武器。这类武器全天候作战能力强，有效作用距离较远，可同时杀伤几个目标。还能与雷达兼容形成一体化系统，先探测、跟踪目标，再提高功率杀伤目标，达到最佳作战效能；微波炸弹，一般是在炸弹或导弹战斗部上加装电磁脉冲发生器和辐射天线构成。主要是利用炸药爆炸压缩磁通量的方法产生高功率电磁脉冲，覆盖面状目标，在目标的电子线路中产生感应电压与电流，以击穿或烧毁其中的敏感元件，使其电子系统失效、中断和破损。

微波武器的杀伤机理是基于微波与被照射物之间分子相互作用，将电磁能转变为热能而产生的微波效应，就其物理机制来讲，主要有以下三种效应：电效应、热效应和生物效应。

微波电效应是指高功率微波在金属表面或金属导线上感应电流或电压，并由此对电子元器件产生的效应。如造成电路中器件状态反转、器件性能下降和半导体的结击穿等；微波热效应是指高功率微波对介质加热导致升温而引起的效应。如烧毁器件和半导体的结、二次击穿等；微波生物效应是指高功率微波与生物体相互作用的效应。一般情况下它是吸收微波功率的结果，吸收的微波功率转化成热能，热能又转化成温度，所以高功率微波生物效应是热效应的一种，又可分为“非热效应”和“热效应”两类。“非热效应”是由较弱的微波能量照射后，造成人员出现神经

紊乱、行为失控、烦躁、致盲或心肺功能衰竭等，这些均是微波生物效应所致，这种效应能够加热细胞而改变神经细胞的活动而引起的。

基于这种原理，微波武器利用高增益定向天线，将强微波发生器输出的微波能量会聚在窄波束内，从而辐射出强大的微波射束（频率为1～300吉赫的电磁波），直接毁伤目标或杀伤人员。由于微波武器是靠射频电磁波能量打击目标，所以又称“射频武器”。高功率微波武器的关键设备有两个，即高功率微波发生器和高增益天线。高功率微波发生器的作用是将初级能源（电能或化学能）经能量转换装置（强流加速器等）转变成高功率强脉冲电子束，再使电子束与电磁场相互作用而产生高功率电磁波。这种强微波将经高增益天线发射，其能量汇聚在窄波束内，以极高的强微波波束（其能量要比雷达波的能量大几个数量级）辐射和轰击目标、杀伤人员和破坏武器系统。微波武器的穿透力极强，能像中子弹那样杀伤目标（如装甲车辆）内部的战斗人员，如指挥人员、武器装备操纵人员等，从而瘫痪目标。

与常规武器、激光武器等相比，微波武器并不是直接破坏和摧毁武器设备，而是通过强大的微波束，破坏它们内部的电子设备。实现这种目的途径有两条：其一是通过强微波辐射形成瞬变电磁场，从而使各种金属目标产生感应电流和电荷，感应电流可以通过各种入口（如天线、导线、电缆和密封性差的部位）进入导弹、卫星、飞机、坦克等武器系统内部电路。当感应电流较低时，会使电路功能混乱，如出现误码、抹掉记忆或逻辑等；当感应电流较高时，则会造成电子系统内的一些敏感部件如芯片等被烧毁，从而使整个武器系统失效。这种效应与核爆炸产生的电磁脉冲效应相似，所以又称“非核爆炸电磁脉冲效应”。据有关报道，20世纪50～60年代，美国科学家在研制原子弹和氢弹等核武器时惊奇地发现，核武器爆炸也会产生巨大的电磁脉冲。一次美军在太平洋高空进行氢弹试爆，氢弹爆炸后，夏威夷美军地面部队的电子系统莫名其妙地受到了冲击。其中，防空雷达被迫中断工作，更有意思的是，美军房间电灯因使用电子启动器而被烧毁，屋内一片漆黑。当时，正在夏威夷上空飞行的美军侦察卫星也倒了霉，电子系统全部受到破坏，卫星随即失灵，成为太空垃圾。起初，美军还以为有人搞破坏，后来才发现，这全是核武器爆炸产生的电磁脉冲在作祟；其二是强微波束直接使工作于微波波段的雷达、通信、导航、侦察等电子设备因过载而失效或烧毁。因此，微波武器也被认为是现代武器电子设备的克星。所以有人说，核武器是人类20世纪最大的杰作，而微波武器则是人类兵器研究的最大突破，在21世纪，它拥有的地位将可能仅次于上世纪的核武器。

木材加工业、家具厂：用来干燥木材； 通信业：微波接力通信； 家电业：微波炉； 军事、交通：雷达 ……

微波的最重要的应用是雷达和通信。此外，在工农业生产、科学研究、医学、生物学以及人民生活等方面都有广泛的应用。 在工农业生产上的应用主要包括测量和加热两个方面。测量属于弱功率应用，利用微波可以测量包括温度、湿度、厚度、速度、长度等各种非电量，其特点是测量设备不需要与被测量的对象接触(非接触式测量)，特别适宜在生产流水线上连续监测并进行实时自动控制。例如，在钢铁工业中用微波测量炉温、料面深度、钢板厚度，以及测量并控制吹氧炼钢中氧枪与钢水液面之间的距离等。用微波测量钢板厚度要比用γ射线测量更为优越，其测量精度不受钢板化学成分的影响，且一般不必采取辐射防护措施。

其他应用还有：在石油工业中测定石油的微小含水量；在造纸和纺织业中测量和控制纸张或

织物中的水分；在机械铸造业中测定和控制型砂中的含水量等。专门制造的微波水分仪可用于测量谷物、土壤、木材、烟草、药品和墙砖等各种介质材料的含水量。利用微波的法拉第效应，可以测量几十万伏超高压输电线上的电流。微波在工农业生产上的另一类应用──加热，属于强功率应用，例如可以产生微波等离子体，在大规模集成电路中刻蚀亚微米级的精细结构和制造光通信所需要的高纯度光纤；可使包装好的食品进行消毒或使冷藏食物解冻；可对高分子化合物进行热定形；可用于干燥食品、木材、纸张及电影胶片等涂膜材料等。家庭用微波灶也已得到应用，其性能日趋完善。

微波遥感配合可见光遥感和红外遥感是探测大地、普查地球资源、测绘地形地物、监视农作物的生长，以及侦察军事目标等的主要手段。与可见光和红外遥感相比，微波遥感的特点是能够全天候工作，但所得图像的空间分辨率较低。

微波技术在食品工业中的应用

收藏此信息推荐给好友2009-4-10来源：机电商情网

微波是一种频率极高的电磁波,其频率范围在300MHZ-300GMHZ,微波技术是上世纪中叶兴起的无线电技术,它首先被广泛应用于无线电通讯、广播、电视、导航、遥撼、遥测、雷达等领域。近些年来，它又作为一种能源在经济建设和人们时常生活中得到了日益广泛的运用，如家用微波炉早已进入千家万户，作为一种工业加工手段，它首先在食品工业中得到了应用，主要用于干燥、杀菌、焙烤、熟化、膨化、调温解冻、酵化、催熟等，有利地促进了食品工业发展。随着经济和科学技术的发展，微波能技术将在食品工业中得到更广泛的应用。 一、微波加热机理：

微波具有一定的能量（电磁场能）。在一定的条件下，它作为一直工能源予以应用，微波对物料的作用有物理、化学、生物等效应，可用于各种目的，但应用最广泛的是微波加热。

微波加热是极高频率的电磁振荡作用于具有电极性的物料分子，使其分子排列趋向剧烈变化，而产生激烈的类似于“摩擦”的效果。使物体变热。此过程即微波的电磁场能量转化为热能。水分子是极性分子，强烈吸收微波。含有水分的物料在受到足够的微波辐射时，其中的水分子吸收微波很快的升温蒸发，物料得以迅速干燥。

微波杀菌是微波的热效应和生物效应共同作用的结果。微波对细菌的热效应是使蛋白质变性，使细菌失去营养、繁殖和生存的条件而死亡；生物效应是微波电磁场改变细胞膜断面的电位分布，影响细胞周围电子和离子浓度，从而改变细胞膜的通透性能，细胞因此营养不良，不能正常新陈代谢，细胞结构功能紊乱，生长发育受到抑制而死亡。此外，决定细胞正常生长和稳定遗传繁殖的核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）是由若干氢键紧密连接而成的卷曲形大分子。足够强的微波场可以导致氢键松弛、断裂和重组， 从而诱发遗传基因突变，或染色体畸变，甚至断裂。微波灭菌正是利用了电磁场的热效应和生物效应对生物的破坏作用，因此，微波杀菌温度低于常规方法，仅要70-105℃，时间仅约需3-5分钟。 二、微波加热特点：

1.加热迅速、均匀：不需要热传导过程，它能在瞬间穿透被加热物料，穿透深度可达几厘米，甚至十几厘米，数秒到数十秒就能把微波能转为热能。微波具有选择性加热，使加热更均匀。

2.节能高效：由于含有水分的物质极易吸收微波而加热，因此，除少量的传输损耗外几乎无其他损耗。微波加热与远红外加热相比，节约能量1/3。

3.防霉杀菌保鲜：微波加热具有热效应和生物效应，因此，能在较低温度下灭霉和杀菌；能最大限度地保存物料的活性和食品中的维生素、色泽和营养成分。

4.工艺先进，可连续生产：只要控制微波功率即可实现加热或终止，它有完善的传送系统，可确保连续化生产，实现计算机控制，节省劳力。

5.安全无害：由于微波能是控制在金属制成的加热室内和波导管中工作，所以微波被有效地控制。没有放射线危害及有害气体排放，不产生余热，既不污染事物，也不污染环境，改善劳动条件。 6.设备占地面积少，节省投资。 三、微波能在食品工业中的应用：

微波作为能源被实际使用于食品加工，始于20世纪40年代美国制造第一台微波炉，以后陆续有食品工业中应用的微波能设备问世。主要使用在以下几个方面：

1.干燥。是微波能应用最广泛的一个领域。如用于干燥面条、调味品、添加剂、瓜子、花生、蔬菜、菇类、肉脯等。美国微波干燥公司研制的915MHZ、60KW的通信面干燥机每小时加工通信面4000磅，而细菌含量仅为原来

的1/15，该机比传统热风干燥节能25%。日本利用915MHZ、25KW和2450MHZ、10KW微波设备干燥中式方便面，还可对薯片、洋葱片进行加工。产品的色泽、口味、口感都比传统的方法好。微波干燥对于水分含量在20%以下的物料效果最好，比起传统方法加热干燥速度快得多，节能。

2.灭菌。微波灭菌较之传统方法灭菌具有速度快、温度低、效率高、可穿透包装物（袋、瓶）灭菌以避免二次污染等优点。瑞典永2450MHA、80KW的微波面包杀菌防霉机，用于每小时加工4400磅面包片的生产线上。经微波处理后，面包片的温度由20℃上升到80℃，时间仅需1-2分钟，处理后的面包片的保存期由原来的3-4天延长到30-60天。采用2450MHZ、10KW隧道式微波干燥灭菌机生产天然花粉后，实现了连续化生产，生产效率提高了十几倍，节电80%以上，产品质量好，经济效益显著。需要强调的是，在食品加工中，微波干燥、灭菌往往是同时进行，也即在对食品干燥的同时亦进行了杀菌，此时微波设备“一机两用”，可加工设备，减少投资。 3.烘烤。微波对食品物料加热升温超过120℃即可产生烘烤效果。如雀巢公司用2450MHZ、10KW微波设备焙烤可使加工时间仅需5-10分钟，比传统焙烤速度快1倍以上，小时加工量达120公斤。几年前已有客户用我公司制造的微波设备焙烤“南乳花生米”，生产出的花生米比传统方法生产的花生米更松脆、清香、可口，其产品出口到北美等地。

4.膨化。膨化食品时60年代末在我国迅速发展起来的一类新型食品，因其组织多孔膨松、口感香酥、益于消化吸收，还因其具有加工方便、自动化程度高、质量较为稳定、综合成本低等优点，因而在现代化的食品工业中显出了极大的优越性。而膨化技术作为一种新型的食品加工技术则经历了从油炸膨化、焙烤膨化到目前使用的挤压膨化技术、微波膨化技术等阶段的发展。微波膨化技术是随着微波能在食品加工的应用而发展起来的，它是微波加热干燥的一个特殊应用。其原理是微波能量到达物料深层，转换成热能，将物料深层水份迅速蒸发形成较高的内部蒸汽压力条件，迫使物料膨化。以淀粉和蛋白质为主要成分的生料，在经过蒸煮、干燥等预加工后再经微波加热膨化成干制品，即可得膨化食品。用微波加热膨化干燥的小食品可长期保存而不“回生”。

目前，微波膨化食品的加工应用有3个方面：对淀粉精制生料的膨化干燥加工，对蛋白质精制生料的膨化干燥加工，对谷豆类、根茎瓜菜类的膨化干燥加工。日本对大豆蛋白制品进行了大量的研究，申请了多项关于大豆蛋白制法的专利，并对蛋白质的膨化干燥加工和水份的关系，及其与食盐、膨化剂的关系，与淀粉添加量的关系，与粘稠剂、含气泡剂的关系进行了大量的实验研究。

米在经过浸泡、蒸熟后再经微波膨化成半熟米，是微波膨化干燥的另一个重要应用，如速食米或将煮过的已成型米从冷冻状态送入微波炉内加热，形成有膨化的米制品，其外表有硬壳，内部组织软而松。还可事先加入风味混合物，可做出洋葱-黄油及豆油-芝麻风味的产品等。

微波膨化加工也可应用在焙烤食品生产中。在以酵母发酵的小麦粉为主原料的食品原料中加入5%-60%的微波膨化小麦粉或长粒米粉，可显著改善微波焙烤小白面包的内部组织及可口性，在食品原料中加入可食的变性淀粉，则可减少微波加热导致的膨化食品的不可口性。 四、结论：

微波能技术在食品工业中的应用对于提高产品品质，降低生产成本，改善劳动条件，提高生产效率和经济效益，改造传统加工工艺，开发新产品等方面都取得了令人瞩目的成就。越来越多的科技人员投入微波能技术应用的研究，越来越多的食品企业采用和将要采用微波能技术。可以预期，微波能技术在食品工业中更为广泛的应用，将进一步提高我国食品工业的装备和技术水平，而国内微波能技术及设备制造厂家的水平也在不断提高，以满足食品工业日益增长的需要。