超音波原理與硬體 設備介紹
1. 超音波原理
超音波(ultrasound)是指頻率超過20 kHz以上的聲波，如圖一所示，可分成3個領域的應用，20 kHz至100 kHz是功率超音波(power ultrasound)、100
kHz至1 MHz是高頻超音波(high frequency ultrasound)以及1 MHz至500 MHz是診斷超音波(diagnostic ultrasound)。不同的頻率有不同的用途，以污泥減量而言，重點在於固體物的破壞效果，其適合的頻率是在20 kHz至100 kHz。
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圖1超音波的頻率範圍 |
超音波的原理是利用聲波與水中的微小氣泡作用，使其在極短的時間與極小的體積發生空穴效應(cavitation)，如圖二所示。當空穴效應發生時，會產生強大的衝擊力，可以有效破壞周圍細胞的外部結構，使其產生污泥水解的效果，同時，空穴效應也會形成一極端環境的熱點(hot spot)，在熱點中會形成高達數千度的高溫與數千atm的高壓環境，其周圍的水分子便會產生高氧化力的氫氧自由基，因此，超音波亦具有廢水高級氧化的處理能力。
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2. 超音波硬體構造
超音波的硬體包含三個單元：超音波換能器(converter或transducer)、超音波增幅器(booster)與超音波喇叭(horn或sonotrode)，如圖三所示。上述三個單元為超音波的機械硬體，可以說是在超音波污泥水解中最主要的系統，其功能包含了機電能量轉換、超音波能量傳遞及超音波強度放大等功能。在超音波的簡易應用中。例如：常見的超音波清洗槽，僅需要超音波換能器即可進行應用工作。然而通常直接來自超音波換能器的位移輸出，僅有數十微米，對於特殊領域的應用。例如：焊接、乳化，需要更大的位移強度，因此需要進一步如槓桿作用的方式，利用機械放大的方式將超音波強度增強。也因此，超音波強度放大及能量傳遞的效果高低，就與機械放大器(增幅器及喇叭)的設計有著即為密切的關係。
圖3典型的超音波硬體系統構造圖[3]
3. 工研院開發之超音波反應器
工研院設計並製作一套超音波硬體，使用頻率為20 kHz，horn直徑為5公分，材質為鈦合金，輸出功率為300-500 W。此自製的超音波硬體經量測不同頻率與強度的關係，其最大強度中心的頻率為19.531
kHz，與設定之20 kHz誤差2.3%，Q值為5.58。各項元件經組合後之超音波污泥減量系統如圖四所示。
圖4工研院超音波污泥減量系統
