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空化作用

超声波空化作用,就是指液体中的微小气泡核在超声波作用下产生振动,当声压达到一定值时,气泡将迅速膨胀,然后突然闭合,在气泡闭合时产生冲击波,这种膨胀、闭合、振荡等一系列动力学过程称超声波空化。

形成

液体介质中由于涡流或超声波的物理作用,液体中的某一区域会形成局部的暂时的负压区,于是在液体介质中产生空化气泡,简称为空穴或气泡。一定强度的超声波的作用下,液体介质产生的空化气泡,可分为四种类型:接近真空的气泡蒸气的气泡含气体的气泡蒸气的空化气泡

根据空化气泡的热力学稳定性,空化气泡还可以分为亚稳气泡稳定气泡。接近真空的气泡和含蒸气的空化气泡是亚稳气泡, 一般认为是在强度超过10W/cm2 的超声被作用下而产生的;而稳定气泡则是在较低强度(2W/ cm2 )的超声波作用下所产生的,主要是一些含有气体的空化气泡以及含有气体和蒸气的空化气泡。

空化气泡在超声场的作用下会发生振动,但并不一定就发生溃陷, 只有当超声波的频率小子空化气泡振动频率时才会使空化气泡溃陷;反之,当超声波的频率超过空化气泡的振动频率时,空化气泡会进行更为复杂的振动,而不会发生溃陷。

特点

空化气泡一旦形成,既有可能重新溶解到液体介质中去, 又有可能上浮而消失,或由于空化气泡自身大小的原因,在超声震荡的超声场中随着超声场的相位变化而长大和压缩。由于超声场是均匀的, 在被体介质中间的空化气泡溃陷过程中保持球形。当液体介质中的微粒太小而不能够紊扰趣声场时, 就会形成射流束,这时液体介质中的气泡也是球形溃陷的。

当空化气泡靠近固体的界面处时, 固体表面上的空化气泡则发生不对称溃陷, 产生直射向固体表面的射流束。由于溃陷气泡的大部分能由被转化为射流束的动能,使得射流束的速度高达每小时400km。也即射流束以近乎团体所能承受的力冲击固体表面, 这样在固体的表面发生洗涤和孔蚀作用,故也称空化作用为孔蚀作用,这就是进行超声清洗、固-液反应或催化反应等的基础之所在。

空化作用气泡的寿命约0.1μs,它在急剧崩溃时可释放出巨大的能量,并产生速度约为110m/s、有强大冲击力的微射流,使碰撞密度高达1.5kg/cm2。空化作用气泡在急剧崩溃的瞬间产生局部高温高压(5000K,1800atm),冷却速度可达109K/s。超声波这种空化作用大大提高非均相反应速率,实现非均相反应物间的均匀混合,加速反应物和产物的扩散,促进固体新相的形成,控制颗粒的尺寸和分布。

影响因素

超声波空化作用的强弱与声学参数以及液体的物理化学性质有关。

超声波强度:超声波强度指单位面积上的超声功率,空化作用的产生与超声波强度有关。对于一般液体超声波强度增加时,空化强度增大,但达到一定值后,空化趋于饱和,此时再增加超声波强度则会产生大量元用气泡,从而增加了做射衰减,降低了空化强度。

超声波频率:超声波频率越低,在液体中产生空化越容易。也就是说要引起空化,频率愈高,所需要的声强愈大。要在水中产生空化,超声波频率在400kHz时所需要的功率要比在10kHz时大10倍,即空化是随着频率的升高而降低。一般采用的频率范围20--40kHz。

液体的表面张力与黏滞系数:液体的表面张力越大,空化强度越高,越不易于产生空化。黏滞系数大的液体难以产生空化泡,而且传播过程中损失也大,因此同样不易产生空化。

液体的温度:液体温度越高,对空化的产生越有利,但是温度过高时,气泡中蒸气压增大,因此气泡闭合时增强了缓冲作用而使空化减弱。

现状

超声空化所引发的物理、机械、热效应、生物效应、化学效应等在工业上具有广阔的应用潜力。国内外学者在超声空化研究过程中认识到 ,空化必须在一定条件下才能发生,空化有一个阈值,它与超声波频率、波形、声压大小、介质温度、压力、黏度、含气量等因素有关。然而对空化的本质还需要深入地进行研究。

对空化强度还不能定量地测量,空化所造成的高温、高压也很难以确切的数字表达出来。空化后介质的力学、声学、热学、光学、电学性质的变化还不十分清楚,尤其在超声治疗中,生物体内是否有空化也尚未定论。

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