超声波无声喇叭设计.docx

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超声波无声喇叭设计

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摘要4

一舟超声波的简介6

1T超声波的产生7

1-2超声波的特性7

1-3超声波的工作原理7

1-4超声波的主要特征8

1-4-1超声波的声压特性8

1-4-2射特性9

1-4-3吸收特性

1_4-5超声波的吸收与衰减

1-4-6超声波的透射.反射鲁折射与聚

1-5超声效应11

1-6超声波的问题12

1-6-1反射问题12

1一6-2噪音13

1-7声波换能器特性15

2-1超声波在电子行业的应用……

2-2超声波对酒的醇化一催陈技术

2-3超声波测距仪

2-4超声波细胞粉碎机

2-5超声波对化妆品的分散

2-6倒车雷达

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三.超声波无声喇叭设计20

3-1超声波探头结构与工作原理20

3-2超声波无声喇叭设计概念22

3-3超声波无声喇叭设计原理23

3-4超声波无声喇叭电路24

3-4-140kHZ超声波发射电路

3-4-2超声波接收器电路

3・5电路制作、调试过程

3_6技术参数**

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3-6-1555芯片

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五.参考资料

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摘要

本文介绍了超声波的相关知识，超声波的产生、特性、工作原理、主要特征，广泛的介绍了超声波在实际中的应用.还系统的分析了超声波存在的问题”使我们

能更好的使用超声波。

了解超声波探头的构造和工作原理，将其应用在已设计好的电路中，把发射、接收超声波元件分别使用在发射板块和接收板块上，将发射板块的频率调节为40KHZ,达到超声波元件最好工作频率，接收板块采用的是单稳态超声波接收电路，完成了电路制作和焊接。

通过调试试验电路基本实现其应用功能。

.超声波的简介

当物体振动时会发出声音。

科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它

的单位是赫兹。

我们人类耳朵能听到的声波频率为20〜20,000赫兹。

当声波的振

动频率大于20000赫兹或小于20赫兹时，我们便听不见了。

因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。

超声波具有方向性好，穿透能力强，易于

获得较集中的声能，在水中传播距离远等特点。

可用于测距，测速，清洗，焊接，碎石等。

在医学，军事,工业,农业上有很多的应用。

m2

理论研究表明，在振幅相同的条件下，一个物体振动的能量与振动频率成正比超声波在介质中传播时，介质质点振动的频率很高，因而能量很大。

超声波一般由具有磁致伸缩或压电效应的晶体的振动产生。

它的显著特点是频率高，波长短，衍射不严重，因而具有良好的定向传播特性，而且易于聚焦。

也由于其频率高，故而超声波的声强通常比一般声波大得多。

用聚焦的方法，可以获得声强高达109W/

的超声波。

超声波在液体、固体中传播时，衰减很小。

在不透明的固体中，能穿透几十米的厚度。

超声波的这些特性，在技术上得到广泛的应用。

1-1超声波的产生

声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。

所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动。

譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。

超声波是指振动频率大于

20000Hz以上的,其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的上限（20000Hz）,人们将这种听不见的声波叫做超声波。

超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性，目前腹部超声成像所用的频率范围在2s5兆Hz之间，常用为3s3.5

兆Hz（每秒振动1次为1Hz，1兆Hz=10WHz,即每秒振动100万次，可闻波的频率在16-20，000HZ之间）。

1-2超声波的特性

1）超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。

2）超声波可传递很强的能量。

3）超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。

4）超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象

1-3超声波的工作原理

超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律，与可听声波的规律并没有本质上的区别。

但是超声波的波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米。

与可听声波比较，超声波具有许多奇异特性：

传播特性一一超声波的波长很短，通常的障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此超声波的衍射本领很差，它在均匀介质中能够定向直线传播，超声波的波长越短，这一特性就越显著。

功率特性一当声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。

声波功率就是表示声波做功快慢的物理量。

在相同强度下，声波的频率越高，它所具有的功率就越大。

由于超声波频率很高，所以超声波与一般声波相比，它的功率是非常大的。

空化作用——当超声波在液体中传播时，由于液体微粒的剧烈振动，会在液体内部产生小空洞。

这些小空洞迅速胀大和闭合，会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用,从而产生几千到上万个大气压的压强。

微粒间这种剧烈的相互作用，会使液体的温度骤然升高，起到了很好的搅拌作用，从而使两种不相溶的液体（如水和油）发生乳化，并且加速溶质的溶解，加速化学反应。

这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用。

我们知道正确的波的物理定义是：

振动在物体中的传递形成波。

这样波的形成必须有两个条件：

一是振动源，二是传播介质。

波的分类一般有如下几种：

一是根据振动方向和传播方向来分类。

当振动方向与传播方向垂直时，称为横波。

当振动方向与传播方向一致时，称为纵波。

二是根据频率分类，我们知道人耳敏感的听觉范围是20HZ-20000HZ所以在这个范围之内的波叫做声波。

低于这个范围的波叫做次声波，超过这个范围的波就叫超声波。

波在物体里传播，主要有以下的参数：

一是速度V,二是频率F,三是波长入三者之间的关系如下：

V=FJ。

波在同一种物质中传播的速度是一定的，所以频率不同，波长也就不同。

另外，还需要考虑的一点就是波在物体里传播始终都存在着衰减，传播的距离越远，能量衰减也就越厉害，这在超声波加工中也属于考虑范围。

1-4超声波的主要特征

超声波的基本特性：

频率在2kHz以上的声波称之为超声波，由于频率f升高，波长入变短使得超声波比普通声波具有特殊性，即近似于光的某些特征。

如束射性，由一种媒质进人另一种媒质发生折射、反射等。

同时有很强的被吸收性与衰减性，带有很强的能量。

1-4-1超声波的声压特性

当声波通入某物体时，由于声波振动使物质分子产生压缩和稀疏的作用，将使物质所受的压力产生变化。

由于声波振动引起附加压力现象叫声压作用。

由于超声波所具有的能量很大，就有可能使物质分子产生显诸的声压作用、例如当水中通过一般强度的超声波时，产生的附加压力可以达到好几个大气压力。

液体中存起着如此巨大的声压作用，就会引起值得注意的现象。

当超声波振动使液

体分子压缩时，好像分子受到来直四面八方的压力；当超声波振动使液体分子稀疏时，好像受到向外散开的拉力，对于液体，它们比较受得住附加压力的作用，所以在受到压缩力的时候；不大会产生反常情形。

但是在拉力的作用下，液体就会支持不了，在拉力集中的地方，液体就会断裂开来，这种断裂作用特别容易发生在液体中存在杂质或气泡的地方，因为这些地方液体的强度特别低，也就特别经受不起

几倍于大气压力的拉力作用。

由于发生断裂的结果，液体中会产生许多气泡状的小

空腔，这种空泡存在的时间很短，一瞬时就会闭合起来。

空腔闭合的时候会产生

很大的瞬时压力，一般可以达到几千甚至几万个大气压力。

液体在这种强大的瞬时压力作用下，温度会骤然增高。

断裂作用所引起的互大瞬时压力，可以使浮悬在

液体中的固体表面受到急剧破坏。

我们常称之为空化现象。

1-4-2射特性

由于超声波的波长短，超声波射线可以和光线一样，能够反射、折射，也能聚焦，而且.遵守几何光学上的定律。

即超声波射线从一种物质表面反射时，入射角等于反射角，当射线透过一种物质进入另一种密度不同的物质时就会产生折射，也就是要改变它的传插方向，两种物质的密度差别愈大，则折射也愈大。

1-4-3吸收特性

声波在各种物质中传播时，随着传播距离的增加，强度会渐进减弱，这是因为物质要吸收掉它的能量。

对于同一物质，声波的频率越高，吸收越强。

对于一个频率一定的声波，在气体中传播时吸收最历害，在液体中传播时吸收比较弱，在固体中传播时吸收最小。

1-4-4超声波的能量传递特性

超声波所以往各个工业部门中有广泛的应用，主要之点还在于比声波具有强

大得多的功率。

为什么有强大的功率呢？

因为当声波到达某一物资中时，由于声波的作用使物质中的分子也跟着振动，振动的频率和声波频率一样，分子振动的频率决定了分子振动的速度。

频率愈高速度愈大。

物资分子由于振动所获得的能量除了与分子的质量有关外，是由分子的振动速度的平方决定的，所以如果声波的频率愈

高，也就是物质分子愈能得到更高的能量、超声波的频率比声波可以高很多，所以它可以使物资分子获得很大的能量；换句话说，超声波本身可以供给物质足够大的功率。

1-4-5超声波的吸收与衰减

声波在各种媒质中传播时，由于媒质要吸收掉它的一部分能量，所以，随着传播路程的增加，声波的强度会逐渐减弱。

在一个广场上，一个民族弦乐正在为广大群众作街头演出，许多人闻讯前去观看和欣赏那动听的音乐。

当你从远处走近这个乐队时，首先听到的是那音调低沉的

鼓声，随着你慢慢走近乐队，你就逐渐听到了锁呐声、笛声、二胡声等；当你最后

走到乐队周围时，你才听到了那音调很高的清脆的铃声。

这个例子，很生动地说明了各种不同频率的声波，在空气中传播时被吸收的程度是不同的。

频率越高的声波，空气对它的吸收越强，所以它传播的距离较短。

例如上述乐队中音调很高的铃声；因其频率很高，空气对它的吸收作用很强，所以传不远。

反之，对频率越低的声波，空气对它的吸收较少，因此，它传播的距离较长。

上述乐队中音调低沉的大鼓声音传得很远，正是由于它的频率很低的缘故。

声波在媒质中传播时，被吸收而衰减的另一个特点是对于同一个声波，当它在围体、液体或气体，以及各种不同物质中传播时，它被吸收的程度也是不同的。

对于一个频率固定的声波，在气体中传播时，它被吸收的最厉害；在液体中传播时，

它吸收的较少；而在固体中传播时，则被吸收的最少。

所以，声波在空气中传播的最短，在水中则可传播的远一些，而在金属中则能传播得很远。

以上关于声波吸收的两个特性，无论对可听声，或是对超声波，都是适用的。

对于超声波来讲，由于它的频率很高，所发，它在空气中传播时，被吸特别厉害。

据科学家们的实验，频率为100亿Hz的超声波，在它离开声源的一刹那间，马上会被空气全部吸收掉。

在超声波治疗的临床应用中，对于超声波的吸收特性，必须予以足够的重视。

这一点，在下面的有关章节中，将要详细谈到。

1-4-6

超声波的透射、反射、折射与聚集

由于超声波的频率较高，所以超声波在定向传播时，在两种不同媒质的分界面上，会出现类似于光线一样的透射、反射和折射现象。

光线的透射、反射与折射现象是常见的。

例如，我们在一个黑暗的环境里将一束光线投身到一个盛满水的透明玻璃烧杯里，我们将十分清楚地看到光线在水面上产生的透射、反射与折射现象。

光的聚集现象是常见的。

如果我们手边在一个放大镜，在强烈的阳光下，太阳光经过放大镜的聚集到一点，就会将这一点上的纸或者香烟等物点燃。

许多人都亲身做过这个实验。

超声波的聚集现象和光线的聚集现象是一样的。

利用超声波聚集装置可以将超

声波束会聚到一点，从而将超声波的声强提高几倍甚至几千倍，利用这样巨大的声强可以做许多很有意义的工作。

例如：

超声波切割、超声波钻孔、超声波打磨等。

1-4-7超声波的巨大能量

超声波之所以在工业、国防和医疗等方面发挥着独特而又巨大的作用，还有一个原因是由于超声波比一般可听声有着强大的功率。

根据声学工作者的实验测定，一般的讲话声音的能量是很小的。

假设我们想用普通说话的能量来烧开一壶水，那么，必须动员700多万人，连续大声喊叫12个小时才行。

超声波具有的能量，要比一般可听声大的多。

根据有关声学实验测定，频率为100万赫兹的超声波的能量，要比同幅度的频率为1000赫兹的可听声能量大100万倍。

所以说，拥有巨大的能量，是超声波的一个重要特点。

超声波的许多应用，也都是利用它的这一特点进行工作的。

为什么超声波拥有这么强大的功率呢？

这是由于声波到达某一物质中时，由于声波的振动作用，使物质中的分子随便之一起振动，两者振动的频率是一致的。

物质分子振动的频率，决定了该物质分子振动的速度，频率越高，速度越大。

我们知道，一个运动物体所具有的动能E与其质量M和运动速度有下列关系：

E=Mv2即,运动物体的动能与其质量成正比，与其速度的平方也成正比。

由于超声波的频率很高，它使所进入的物质分子运动速度，也随之变的很高。

根据上式可知，这样高的运动速度，使该物质分子具有很大的动能，这就是超声波拥有巨大能量的缘故。

1-5超声效应

当超声波在介质中传播时，由于超声波与介质的相互作用，使介质发生物理的和化学的变化，从而产生一系列力学的、热学的、电磁学的和化学的超声效应，包括以下4种效应：

1机械效应。

超声波的机械作用可促成液体的乳化、凝胶的液化和固体的分散。

当超声波流体介质中形成驻波时，悬浮在流体中的微小颗粒因受机械力的作用而凝聚在波节处，在空间形成周期性的堆积。

超声波在压电材料和磁致伸缩材料中传播时，由于超声波的机械作用而引起的感生电极化和感生磁化（见电介质物理学和磁致伸缩）。

2空化作用。

超声波作用于液体时可产生大量小气泡。

一个原因是液体内局

部出现拉应力而形成负压，压强的降低使原来溶于液体的气体过饱和，而从液体逸

出，成为小气泡。

另一原因是强大的拉应力把液体“撕开”成一空洞，称为空化。

空洞内为液体蒸汽或溶于液体的另一种气体，甚至可能是真空。

因空化作用形成的小气泡会随周围介质的振动而不断运动、长大或突然破灭。

破灭时周围液体突然冲

入气泡而产生高温、高压，同时产生激波。

与空化作用相伴随的内摩擦可形成电荷,并在气泡内因放电而产生发光现象。

在液体中进行超声处理的技术大多与空化作用有关。

3热效应。

由于超声波频率高，能量大，被介质吸收时能产生显著的热效应。

4化学效应。

超声波的作用可促使发生或加速某些化学反应。

例如纯的蒸馏水经超声处理后产生过氧化氢；溶有氮气的水经超声处理后产生亚硝酸；染料的水溶液经超声处理后会变色或退色。

这些现象的发生总与空化作用相伴随。

超声波还可加速许多化学物质的水解、分解和聚合过程。

超声波对光化学和电化学过程也有明显影响。

各种氨基酸和其他有机物质的水溶液经超声处理后，特征吸收光谱带消失而呈均匀的一般吸收，这表明空化作用使分子结构发生了改变。

1-6超声波的问题

超声波传感器应用起来原理简单，也很方便，成本也很低。

但是目前的超声波传感器都有一些缺点，比如，反射问题，噪音，交叉问题。

1-6-1反射问题

但是不幸的是,几个例子。

如果被探测物体始终在合适的角度，那超声波传感器将会获得正确的角度。

在实际使用中，很少被探测物体是能被正确的检测的。

图一给出了

图1：

声波反射

图1.a

中的情况叫做三角误差，当被测物体与传感器成一定角度的时候,所探测的距离和实际距离有个三角误差。

图1.b中的情况叫做镜面反射，这个问题和高中物理中所学的光的反射是一样的。

在特定的角度下，发出的声波被光滑的物体镜面反射出去，因此无法产生回波，也就无法产生距离读数。

这时超声波传感器会忽视这个物体的存在。

图1.C中的情况可以叫做多次反射。

这种现象在探测墙角或者类似结构的物体时比较常见。

声波经过多次反弹才被传感器接收到，因此实际的探测值并不是真实的距离值。

这些问题可以通过使用多个按照一定角度排列的超声波圈来解决。

通过探测多个超声波的返回值，用来筛选出正确的读数。

1-6-2噪音

虽然多数超声波传感器的工作频率为40-45Khz，远远高于人类能够听到的频率。

但是周围环境也会产生类似频率的噪音。

比如，电机在转动过程会产生一定的高频，轮子在比较硬的地面上的摩擦所产生的高频噪音，机器人本身的抖动，甚至当有多个机器人的时候，其它机器人超声波传感器发出的声波，这些都会引起传感器接收到错误的信号。

这个问题可以通过对发射的超声波进行编码来解决，比如发射一组长短不同的音波，只有当探测头检测到相同组合的音波的时候，才进行距离计算。

这样可以有效的避免由于环境噪音所引起的误读。

1-6-3交叉问题

交叉问题是当多个超声波传感器按照一定角度被安装在机器人上的时候所引起的，如图2所示。

超声波X发出的声波，经过镜面反射，被传感器Z和丫获得，这时Z和丫会根据这个信号来计算距离值，从而无法获得正确的测量。

解决的方法可以通过对每个传感器发出的信号进行编码。

让每个超声波传感器只听自己的声音。

1-6-4环境对超声波测量的影响

（1）空气温度的影响

声波行程时间受气温的影响程度为0.17%/K。

也就是说40C时的声速相对于20C时改变了+3.4%,因此测量距离也会改变约+3.4%。

但如果选用的超声波传感器中有温度补偿功能，此影响可忽略不计。

（2）空气湿度的影响

从干燥的空气到饱和湿度的空气中，声速最多增加2%因此测量距离改变最大也只有2%实际现场中，空气湿度变化不会如此大，此影响一般小于1%

（3）空气压力的影响

在一个固定地点，正常情况下的气压波动为土5%会造成声速波动约土0.6%。

（4）气流的影响

当风速大于50km/h时，声波速度及方向的改变会大于3%在现场使用中，只有靠近被测物表面的几厘米的气流有可能大于20km/h，且垂直于测量方向，故对测量结果的影响可忽略。

（5）油雾的影响

只要防止油雾沉降在超声换能器的有效表面上，就可避免它的影响。

1-7声波换能器特性

声波换能器就好比一个喇叭，能将电流信号转换成高频声波，或者将声波转换成电信号。

（其实多数喇叭都可以当作话筒用，不信大家可以去试一下，用喇叭代替麦克风，也是可以的，只不过麦克风将声波转化成电信号的能力比较强一点。

所以，更加灵敏一点。

）

换能器在将电型号转化成声波的过程中，所产生的声波并不是理想中的矩形，（图3-a），而是一个类似花瓣一样形状，参见（图3-b，c）：

t）宽波束比琴独朿

图3:

声波特性

值得一提的是，在实际应用中，产生的波形应该是三维的，类似柱状体。

对于机器人的应用来说，超声波传感器主要用来探测物体的距离以及相对于传感器的方位，以便可以进行避障动作。

最理想就是矩形，不但可以准确的获得物体的距离值，也可以准确的获得方位值，就是正前方。

但是实际上，超声波的波束根据应用不同，有宽波束，和窄波束。

宽波束（图3-b）的传感器会检测到任何在波束范围的物体，它可以检测到物体的距离，但是确无法检测到物体的方位，误差最高会有100度左右，机器人将无法准确的确定其避障的动作。

当然，作为只要探测物体有或者无的用途来说，宽波束的传感器是比较理想的。

同理，窄波束可以相对宽波束获得更加精确的方位角。

在选择超声波传感器的时候，这个波形特性是必须

要考虑的

.超声波的实际应用

2-1超声波在电子行业的应用

电子行业是超声波清洗应用最早，最为普及的行业

电子零件的清洗：

电子零件，如半导体管的壳座、IC的壳座、晶体的壳座、继电器的壳座、电子管座等。

电子元器件的基体清洗：

电子元器件的基体是由半导体材料制成并封装在金属或塑料壳座中形成的，在圭寸装前，不但对壳座必须清洗，而且也必须对基体进行清洗，女口IC芯片、电阻、晶体、半导体、原膜电路等。

PCB板的清洗：

我国电子行业中，绝大多数企业都在使用PCBPCB组件焊接采用的助焊剂分为水溶型、松香型和免清洗型三类，使用较多的为前两种，多采用超声波清洗（也有不少是采用酒精刷洗），免清洗型原则上应该不清洗，但是，目前世界各国的大多数厂家即使采用免清洗型焊剂焊接组件，仍需要清洗。

特别是高密度PCB以及高密度IC出脚不清洗或不采用超声波清洗，必将导致高密度线路之间和IC出脚之间吸附尘埃，一旦环境湿度大，极易发生高密度线间和脚间短路而出现故障，而一旦环境干燥，短路故障又自行消失，这类故障又不易查找。

所以世界各国的电子整机厂均坚持对PCB板作超声波清洗。

在我国，军工电子整机厂已开始推广，并收到了因此举既提高了产品可靠性，又降低了售后服务成本的双重效益

接插件、连接件、转接器等器件的生产中，电镀和组装前也必须清洗，否则吸附在这些组装零件上的灰尘、油污必将影响其导电和绝缘性能，特别是一些复杂的多芯连接器尤其如此。

电子材料加工成型后的清洗：

如晶片、硅片、压电陶瓷片等电子材料是供给元器件厂家的产品，其产品出厂前必须清洗，特别是做出口业务的厂家，其产品清洗成为一大难题，超声波清洗是最有效的途径。

2-2超声波对酒的醇化一催陈技术

一瓶美酒以它的酒味醇厚，绵软柔和、芳香浓郁为人青睐，人们常用陈年老酒来形容酒的珍贵，一瓶上世纪的陈酒，标价几万元，其价格的含义在于时间的存放上。

酒的主要控制因素是化学变化即酸的形成，并进一步酯化，酯参与乙醇和水的缔合。

刚出厂的酒含有戍醇，有辛辣味，这种气味要经过很长时间才能化解，这个缓慢变化称酒的醇化。

用功率1.6KW频率17.5~22KHZ的超声波处理5~10min,可使酒的老熟时间缩短1/3到1/2。

2-3超声波测距仪

超高能声波测距技术使超声波测距技术有了重大的突破，它不仅拓宽了超

声波测距技术的应用场合（适用极恶劣的工作环境），而且使用智能调节技术，大大提高了超声波产品的可靠性及性能指标，让用户无后顾忧。

优秀的回波处理技术，5-50KHZ的超高强波频率使物位计最大量程可达到120

米，适用介质温度为-20C—+175C。

智能的全自动调节发波频率，自动的温差补偿功能使其工作更加稳定可靠。

HpAW系列产品还拥有灵活多变的工作方式（供电电源可为12VDG24VDC110VAC220VAC二/三/四线制同一仪表中可随意组合。

它还拥有先进的远程GSMCDMA互联网调试功能，使得用户随时可以得到技术支持。

由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。

利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人研制上也得到了广泛的应用

为了使移动机器人能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息（距离和方向）。

本文所介绍的三方向（前、左、右）超声波测距系统，就是为机器人了解其前方、左侧和右侧的环境而提供一个运动距离信息。

2-4超声波细胞粉碎机

超声波提取生物纳米（超声波化学合成法）超声波化学反应中，起关键作用的是声波的空化效应，在超声波的辐照过程中，在液体里将发生空化气泡的形成，长大和崩灭，当空化气泡崩灭时产生一个覆盖着的强压力脉冲，产生许多独特的性质，

例如产生高达5000K的高温，大于200Mpa的压力，以及高达1010K/p的降温速度，这就是超声波化学合成的能量来源