声致空化简介

物理与工程Vol.23No.42013声致空化简介严导淦物理与工程(同济大学物理科学与工程学院,上海200092)摘要文章对强声波尤其是超声波通过液体介质时发生空化现象的成因及其作用作一简介关键词超声波;声致空化;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强声波尤其是超声波通过液体介质时,产生体悬浮粒子或固体边界面处的残留气泡通常称为一种极为重要的空化作用.实验表明,当液体中有空化核如果是理想的纯液体,则使液体破裂的拉超声波在作用时,液体中往往出现大量可见的气应力是很大的,相应的压强需达103大气压的数泡,这仅是超声的去气效应,而并非真正的空化作量级;而在空化核处由于存在着液体结构的弱点,用.当声强增大时,液体中涌现雾流,这是由一些仅需较小的拉应力就可破裂随着空化核的性质、肉眼难以观察的含气空穴所组成的当声强再增液体介质的性质超声的频率以及静压温度等等大时,又会出现一种新的现象,会听到小的爆裂因素的不同,使液体破裂的最小应力,其压强约自声,暗室内还可以看到发光现象,这是由于极小的分之几大气压直至上百个大气压.超声波声压含有稀薄蒸气的空穴的崩溃所引起的,上述两种的负值超出静压的数值足够提供这个拉应力,因现象统称为声致空化现象此,就可以使液体断裂而形成空穴,由于空化核的我们知道,液体是能承受压缩的,但经受不起存在,这样形成的空穴中总是含有少量的气体或拉伸.当超声波通过液体介质时,使液体介质不断蒸气,内部不可能是完全真空的,空化发光的光谱受到压缩和拉伸.如果拉力足以破坏分子的内聚可证明就是这些气体或蒸气在发光力,液体就会断裂而形成几乎真空的空穴;而到压相应于每一个超声频率,这些含气或蒸气的缩阶段,这空穴发生崩溃崩溃时,空穴内部压强气泡存在着一个能与之发生共振的气泡半径可达几万个大气压,空穴附近则形成强烈的冲击R按照气泡的弹性振动理论可知,其本征频波,其压强最大可达几千大气压,同时,由于液体率为的破裂和压强的突变,产生了局部高温,并引起电1 3yp(1)离,因之还有放电、发光等现象出现这就是空化2πRNp作用.式中R为气泡半径,p为液体介质的密度,y为气声致空化的产生有赖于液体中有小气泡的存在事实上,液体内部总有大量的极微小的固体悬浮粒子吸附着少量的气体或蒸气;液、固边界面处收稿日期:2013-05-14作者简介:严导淦,男,教授,主要从事物理教学工作,研究方向为的小裂缝内也可停留住少量微小的气泡,这些固流体力学.79528@ tongji,edu,cn物理与工程Vol.23No.42013体中的热容比,p为气泡内的气体压强,它比液体研究指出,当脉冲超声波通过液体时,脉冲的的静压po大,是气液分界面的表面张力,即持续时间越短,空化阙就越大;而当连续超声波通过液体时,空化阈就越小.这是由于空穴的成长和p,=p+(2)崩溃都需要有一定的时间于是,式(1)可写成当超声波在液体介质中产生空化作用时,由于空化气泡的存在,将使声能的散射和吸收大大3y po增加,而降低了传声性能,因此在传递声能的场合,例如在超声检测应用中,就要求设法避免空化由此可以求出与超声频率共振的气泡半径R0为作用的产生当高静压或大气泡即,p>R时,则在空化作用中,当空穴崩溃时,空穴附近的液体中所受到的作用,主要是以空穴为中心辐射出2πfNp(4)来的冲击波冲击波的压强可达上千个大气压,这而最主要的是当静压不高、且为小气泡时,p<就大大增强了超声的机械作用,所有超声的击碎搅拌、混合、乳化、扩散、渗透等等的效应只要是在则液体中进行时,都因空化作用的存在而效果显著(5)提高.此外,在气泡共振以后直到崩溃为止,由于液体的破裂,气泡内部压强的突变,如前所述,还根据式(5)计算,在水中与频率为1MHz的超声波会引起电离、发光、局部高压高温等现象,这将促共振的气泡半径R0约为几个微米,而20kHz时进大量的化学反应的R。约为几十微米空化作用对液体中的超声凝聚则有显著的破只有原始尺寸小于Rn的空化核才能在拉伸坏作用,因此液体中超声凝聚技术往往利用驻波,阶段达到共振半径而强烈振荡,再在压缩阶段由而且用较高的频率,使得超声虽然很强而空化却于体积突然减小而发生崩溃不发生由于频率越高时,相应的R。越小,能够发生崩溃的空穴数目亦随之减少.因此,要产生高频的空化作用是液体介质中的特殊现象,由于空空化也较难但理论上可以证明,原始尺寸越小的化作用的效果显著,使得液体中的超声处理技术空穴,崩溃时的激烈程度越大,这又是高频时的空卓有成效化的特殊优点如果从获得空化的经济效果来看则显然用低频比较适宜,但为了避免强烈的振耳的声音起见,一般用15000Hz以上的频率.我们把普通水在室温时各种频率所需产生空化作用的[1]金泽里,札叶兹德尼,声学基础第三章[M.北京:高等教最小声强,称为空化阈2.实验表明,频率在育出版社,1955nn, L. Der ultraschall und seine anwendung in wis-5MHz时,空化阈的声强将几乎达到105W/cm2senschaft und technik. 1966: JW Edward声压将达到上百个大气压,颇不经济因此,一般[3]实吉纯一,菊池喜充能本乙彦等,超声波技术便览[M在超声处理应用中利用空化作用时,频率的上限日刊工业新闻社,1960约为1MHz左右