Ультразвуковая кавитация — возникновение в жидкости, что облучается ультразвуком, пульсирующих и закрываются пузырьков, заполненных паром, газом или их смесью.
Пузырьки кавитаций в распространяется в жидкости ультразвуковой волны возникают и расширяются во время разрежения и сжимаются после перехода в область повышенного давления.
В идеальных однородных жидкостях пузыри Ultrasonic Cavitation могут возникнуть только при очень высоких растягивающих усилиях (отрицательных давлениях), превосходящие прочность жидкости.
Прочность реальных жидкостей достаточно низкая из-за того, что в них всегда достаточно много зародышей кавитации — микропузырьки газа, пылинок гидрофобных частиц и т. Д. Возможно также, что зародыши кавитации непрерывно возникают при прохождении через жидкость космических частиц, а затем вновь растворяются. Пузырьки газа с диаметром 10 ~ 5 см, по-видимому, могут как угодно находиться в воде, если их поверхность стабилизирована органическими загрязнениями, обычно присутствующими в «чистой» воде.
Кроме того, предполагается, что газ, даже не стабилизированы органикой, в принципе, не могут раствориться из-за особенности структуры воды в міжфазному слое жидкость — газ, который ограничивает пузырь.
Порогом кавитации называется интенсивность ультразвука, ниже которой не наблюдаются кавитационные явления.
Порог кавитации зависит от параметров, характеризующих как ультразвук, так и саму жидкость.
Для воды и водных растворов пороги кавитации возрастают с увеличением частоты ультразвука и уменьшением времени воздействия.
При импульсном ультразвуковом воздействии порог зависит от длительности импульса и достигает максимума при 0,06 … 0,6 мкс. Порог кавитации повышается и при уменьшении объема жидкости, так как, чем меньше объем, тем меньше в нем зародышей кавитации. Этим, очевидно, и объясняются высокие значения порогов для фокусированного ультразвука. Микронеоднородности в виде пылинок, микроорганизмов, молекул растворенного газа или ионов снижают порог кавитации в жидкой среде.
При интенсивности ультразвука, не намного превышают порог кавитации, мікропухирці газа в жидкости пульсируют относительно равновесного радиуса и постепенно увеличиваются в объеме.
При расширении пузырьков-зародышей, попадающих в область пониженного давления, в бутылочку испаряется жидкость и диффундирует растворенный в жидкости газ. Если температура жидкости значительно ниже точки кипения, то пузырьки растут главным образом в результате диффузии.
При повышении давления в следующую половину периода колебания пузырь сжимается, направление диффузии изменяется, и молекулы диффундируют из пузырька в жидкость. Количество продіффундіро — вавшего газа пропорционально площади поверхности пузырька. Эта площадь в стадии сжатия меньше, чем в стадии расширения. Поэтому количество газа, которое попадает в бутылочку при расширении, несколько больше количества газа, выходящего из пузырька при его сжатии. Поэтому после каждого цикла сжатия-растяжения в пузырьке остается избыток газа.
Накопление газа в пузырьке, что обусловливает рост среднего размера пузырька в поле переменного давления, называется выпрямленной, или направленной, диффузией.
Диффузионный механизм обеспечивает сравнительно медленный рост зародышей, и при высокой частоте ультразвука они успевают сделать значительное число пульсаций, прежде чем достигнут резонансных размеров. Амплитуда пульсации пузырька с резонансными размерами (для данной частоты ультразвука) будет максимальной.
Размер резонансной полости в воде для частоты ультразвука в диапазоне 500 … 1000 кГц можно рассчитать по формуле
где /? РСО — резонансный радиус пузырька, мкм;
/ — частота ультразвука, кГц.
Для частот, превышающих 1 МГц, значение R ^ в связи с растущей ролью поверхностного натяжения оказываются чуть выше, чем вычисленные по приведенной формуле.
Так, при частотах 1, 5 и 10 МГц в воде R ^ равна 3,6; 0,95 и 0,56 мкм соответственно, в то время как, рассчитывая по формуле, получаем величины, равные 3,0; 0,6 и 0,3 мкм.
Необходимо отметить, что на частотах, превышающих 1 МГц, резонансные эффекты проявляются слабее, чем в диапазоне более низких частот.
Колебательная скорость стенки пузырька, размеры которого близки к резонансному, может намного превышать колебательную скорость частиц в ультразвуковой волны, что позволило назвать кавитационные пузырьки усилителями скорости.
Если ультразвуковое поле неоднородно, то пузырьки не только пульсирует, но и движутся поступательно.
В стоячей волне, например, пузырьки движутся к пучностям давления, если их размеры меньше резонансного, и к узлам давления, если они превышают по размеру резонансные пузырьки. Нередко пузырьки в ультразвуковом поле осцилюють — колеблются около некоторого положения равновесия.
Пульсирующие течение многих периодов пузырьки называются стабильными полостями, а именно явление, связанное с существованием в жидкости таких пузырьков, — стабильной кавитацией.
Повышение интенсивности ультразвука приводит к нестабильной кавитации: пузырьки довольно быстро (за несколько периодов) достигают резонансного размера, стремительно расширяются, после чего резко закрываются.
Предполагается, что при закрытии содержится в пузырьке парогазовая смесь, адиабатически (не успевая обменяться теплом с окружающей средой) сжимается до давления 10 5 Па (300 атм) и нагревается до температур около 8000 … 12000 Кол. Известно, что уже при 2000 К около 0,01% молекул НГО внутри пузырька диссоциируют на водородные Н и гидроксильные ВОН свободные радикалы. Эти радикалы могут рекомбинировать с образованием электронно-возбужденных состояний молекул НГО *:
При переходе молекул НГО * с электронно-возбужденного состояния в основное высвечивается квант света — происходит сонолюминесценция.
Свободные Н и ВОН радикалы могут диффундировать в раствор и вступать в реакции с растворителем или растворенными веществами, инициируя радикальные химические процессы.
Закрываются кавитационные пузырьки порождают в жидкости мощные импульсы давления и ударные волны.
Кавитация в жидкости сопровождается различными явлениями:
- — характерным шумом во всем диапазоне частот и сильным акустическим сигналом на частоте, равной половине частоты ультразвука, который вызвал кавитацию;
- — ускорением одних химических реакций и инициированием других;
- — интенсивными МИКРОПОТОК и ударными волнами, способными перемешивать слои жидкости и разрушать поверхности граничат с кавітуючій жидкостью твердых тел;
- — ультразвуковым свечением а также различными биологическими эффектами.
Вследствие концентрирования энергии в очень малых объемах ультразвук может вызывать такие явления, как разрыв химических связей макромолекул, инициирование химических реакций, эрозию поверхностей твердых тел и свечение.