物理與工程Vol.23No.42013聲致空化簡(jiǎn)介嚴(yán)導(dǎo)淦物理與工程(同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院,上海200092)摘要文章對(duì)強(qiáng)聲波尤其是超聲波通過(guò)液體介質(zhì)時(shí)發(fā)生空化現(xiàn)象的成因及其作用作一簡(jiǎn)介關(guān)鍵詞超聲波;聲致空化;空化作用BRIEF INTRODUCTION OF SONOGRAPHIC CAVITATIONYan DoganDepartment of Physics, College of Physical Sciences and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092)Abstract This paper introduces the cavitation effects when the strong acoustic wave, espe-cially for the ultrasonic wave pass through the liquid medium.Key words ultrasonic wave; sonographic cavitation; cavitation effect強(qiáng)聲波尤其是超聲波通過(guò)液體介質(zhì)時(shí),產(chǎn)生體懸浮粒子或固體邊界面處的殘留氣泡通常稱(chēng)為一種極為重要的空化作用.實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)液體中有空化核如果是理想的純液體,則使液體破裂的拉超聲波在作用時(shí),液體中往往出現(xiàn)大量可見(jiàn)的氣應(yīng)力是很大的,相應(yīng)的壓強(qiáng)需達(dá)103大氣壓的數(shù)泡,這僅是超聲的去氣效應(yīng),而并非真正的空化作量級(jí);而在空化核處由于存在著液體結(jié)構(gòu)的弱點(diǎn),用.當(dāng)聲強(qiáng)增大時(shí),液體中涌現(xiàn)霧流,這是由一些僅需較小的拉應(yīng)力就可破裂隨著空化核的性質(zhì)、肉眼難以觀(guān)察的含氣空穴所組成的當(dāng)聲強(qiáng)再增液體介質(zhì)的性質(zhì)超聲的頻率以及靜壓溫度等等大時(shí),又會(huì)出現(xiàn)一種新的現(xiàn)象,會(huì)聽(tīng)到小的爆裂因素的不同,使液體破裂的最小應(yīng)力,其壓強(qiáng)約自聲,暗室內(nèi)還可以看到發(fā)光現(xiàn)象,這是由于極小的分之幾大氣壓直至上百個(gè)大氣壓.超聲波聲壓含有稀薄蒸氣的空穴的崩潰所引起的,上述兩種的負(fù)值超出靜壓的數(shù)值足夠提供這個(gè)拉應(yīng)力,因現(xiàn)象統(tǒng)稱(chēng)為聲致空化現(xiàn)象此,就可以使液體斷裂而形成空穴,由于空化核的我們知道,液體是能承受壓縮的,但經(jīng)受不起存在,這樣形成的空穴中總是含有少量的氣體或拉伸.當(dāng)超聲波通過(guò)液體介質(zhì)時(shí),使液體介質(zhì)不斷蒸氣,內(nèi)部不可能是完全真空的,空化發(fā)光的光譜受到壓縮和拉伸.如果拉力足以破壞分子的內(nèi)聚可證明就是這些氣體或蒸氣在發(fā)光力,液體就會(huì)斷裂而形成幾乎真空的空穴;而到壓相應(yīng)于每一個(gè)超聲頻率,這些含氣或蒸氣的縮階段,這空穴發(fā)生崩潰崩潰時(shí),空穴內(nèi)部壓強(qiáng)氣泡存在著一個(gè)能與之發(fā)生共振的氣泡半徑可達(dá)幾萬(wàn)個(gè)大氣壓,空穴附近則形成強(qiáng)烈的沖擊R按照氣泡的彈性振動(dòng)理論可知,其本征頻波,其壓強(qiáng)最大可達(dá)幾千大氣壓,同時(shí),由于液體率為的破裂和壓強(qiáng)的突變,產(chǎn)生了局部高溫,并引起電1 3yp(1)離,因之還有放電、發(fā)光等現(xiàn)象出現(xiàn)這就是空化2πRNp作用.式中R為氣泡半徑,p為液體介質(zhì)的密度,y為氣聲致空化的產(chǎn)生有賴(lài)于液體中有小氣泡的存在事實(shí)上,液體內(nèi)部總有大量的極微小的固體懸浮粒子吸附著少量的氣體或蒸氣;液、固邊界面處收稿日期:2013-05-14作者簡(jiǎn)介:嚴(yán)導(dǎo)淦,男,教授,主要從事物理教學(xué)工作,研究方向?yàn)榈男×芽p內(nèi)也可停留住少量微小的氣泡,這些固流體力學(xué).79528@ tongji,edu,cn物理與工程Vol.23No.42013體中的熱容比,p為氣泡內(nèi)的氣體壓強(qiáng),它比液體研究指出,當(dāng)脈沖超聲波通過(guò)液體時(shí),脈沖的的靜壓po大,是氣液分界面的表面張力,即持續(xù)時(shí)間越短,空化闕就越大;而當(dāng)連續(xù)超聲波通過(guò)液體時(shí),空化閾就越小.這是由于空穴的成長(zhǎng)和p,=p+(2)崩潰都需要有一定的時(shí)間于是,式(1)可寫(xiě)成當(dāng)超聲波在液體介質(zhì)中產(chǎn)生空化作用時(shí),由于空化氣泡的存在,將使聲能的散射和吸收大大3y po增加,而降低了傳聲性能,因此在傳遞聲能的場(chǎng)合,例如在超聲檢測(cè)應(yīng)用中,就要求設(shè)法避免空化由此可以求出與超聲頻率共振的氣泡半徑R0為作用的產(chǎn)生當(dāng)高靜壓或大氣泡即,p>R時(shí),則在空化作用中,當(dāng)空穴崩潰時(shí),空穴附近的液體中所受到的作用,主要是以空穴為中心輻射出2πfNp(4)來(lái)的沖擊波沖擊波的壓強(qiáng)可達(dá)上千個(gè)大氣壓,這而最主要的是當(dāng)靜壓不高、且為小氣泡時(shí),p<就大大增強(qiáng)了超聲的機(jī)械作用,所有超聲的擊碎攪拌、混合、乳化、擴(kuò)散、滲透等等的效應(yīng)只要是在則液體中進(jìn)行時(shí),都因空化作用的存在而效果顯著(5)提高.此外,在氣泡共振以后直到崩潰為止,由于液體的破裂,氣泡內(nèi)部壓強(qiáng)的突變,如前所述,還根據(jù)式(5)計(jì)算,在水中與頻率為1MHz的超聲波會(huì)引起電離、發(fā)光、局部高壓高溫等現(xiàn)象,這將促共振的氣泡半徑R0約為幾個(gè)微米,而20kHz時(shí)進(jìn)大量的化學(xué)反應(yīng)的R。約為幾十微米空化作用對(duì)液體中的超聲凝聚則有顯著的破只有原始尺寸小于Rn的空化核才能在拉伸壞作用,因此液體中超聲凝聚技術(shù)往往利用駐波,階段達(dá)到共振半徑而強(qiáng)烈振蕩,再在壓縮階段由而且用較高的頻率,使得超聲雖然很強(qiáng)而空化卻于體積突然減小而發(fā)生崩潰不發(fā)生由于頻率越高時(shí),相應(yīng)的R。越小,能夠發(fā)生崩潰的空穴數(shù)目亦隨之減少.因此,要產(chǎn)生高頻的空化作用是液體介質(zhì)中的特殊現(xiàn)象,由于空空化也較難但理論上可以證明,原始尺寸越小的化作用的效果顯著,使得液體中的超聲處理技術(shù)空穴,崩潰時(shí)的激烈程度越大,這又是高頻時(shí)的空卓有成效化的特殊優(yōu)點(diǎn)如果從獲得空化的經(jīng)濟(jì)效果來(lái)看則顯然用低頻比較適宜,但為了避免強(qiáng)烈的振耳的聲音起見(jiàn),一般用15000Hz以上的頻率.我們把普通水在室溫時(shí)各種頻率所需產(chǎn)生空化作用的[1]金澤里,札葉茲德尼,聲學(xué)基礎(chǔ)第三章[M.北京:高等教最小聲強(qiáng),稱(chēng)為空化閾2.實(shí)驗(yàn)表明,頻率在育出版社,1955nn, L. Der ultraschall und seine anwendung in wis-5MHz時(shí),空化閾的聲強(qiáng)將幾乎達(dá)到105W/cm2senschaft und technik. 1966: JW Edward聲壓將達(dá)到上百個(gè)大氣壓,頗不經(jīng)濟(jì)因此,一般[3]實(shí)吉純一,菊池喜充能本乙彥等,超聲波技術(shù)便覽[M在超聲處理應(yīng)用中利用空化作用時(shí),頻率的上限日刊工業(yè)新聞社,1960約為1MHz左右