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超声波空化作用是指存在于液体中的微气核空化泡在声波的作用下振动,当声压达到一定值时发生的生长和崩溃的动力学过程。 超声波作用于液体时可产生大量小气泡 。一个原因是液体内局部出现拉应力而形成负压,压强的降低使原来溶于液体的气体过饱和,而从液体逸出,成为小气泡。另一原因是强大的拉应力把液体“撕开”成一空洞,称为空化。

简介

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作用。
超声波能量足够高时,就会产生“超声波空化”现象。存在于液体中的微小气泡(空化核)在超声场的作用下振动、生长并不断聚集声场能量,当能量达到某个阈值时,空化气泡急剧崩溃闭合的过程。
现象气泡的寿命约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。现象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。
超声波这种现象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。
空洞内为液体蒸气或溶于液体的另一种气体,甚至可能是真空。因空化作用形成的小气泡会随周围介质的振动而不断运动、长大或突然破灭。破灭时周围液体突然冲入气泡而产生高温、高压,同时产生激波。与空化作用相伴随的内摩擦可形成电荷,并在气泡内因放电而产生发光现象。在液体中进行超声处理的技术大多与空化作用有关。空化作用一般包括3个阶段:空化泡的形成、长大和剧烈的崩溃。当盛满液体的容器通入超声波后,由于液体振动而产生数以万计的微小气泡,即空化泡。这些气泡在超声波纵向传播形成的负压区生长,而在正压区迅速闭合,从而在交替正负压强下受到压缩和拉伸。在气泡被压缩直至崩溃的一瞬间,会产生巨大的瞬时压力,一般可高达几十兆帕至上百兆帕。

形成

超声波作用于液体时可产生大量小气泡 。一个原因是液体内局部出现拉应力而形成负压,压强的降低使原来溶于液体的气体过饱和,而从液体逸出,成为小气泡。另一原因是强大的拉应力把液体“撕开”成一空洞,称为空化。
在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,于是在液体介质中可产生空化气泡,简称为空穴或气泡。
在一定强度的超声波的作用下,液体介质可以产生空化气泡,这些空化气泡就其所含气体而言,可分为以下四种类型:接近真空的气泡、含蒸气的气泡、含气体的气泡、含气体和蒸气的气泡。
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和稳定气泡。
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于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。
应用
超声波的广泛的运用于各个领域就是应用了其空化作用以及其空化伴随着机械效应热效应、化学效应、生物效应等等,机械效应和化学效应的应用,前者主要表现在非均相反应界面的增大;后者主要是由于空化过程中产生的高温高压使得高分子分解、化学键断裂和产生自由基等。利用机械效应的过程包括吸附、结晶、电化学、非均相化学反应、过滤以及超声清洗等,利用化学效应的过程主要包括有机物降解、高分子化学反应以及其他自由基反应
影响因素超声波强度
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无用气泡,从而增加了散射衰减,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。例如:要在水中产生空化,超声波频率在400 kHz时所需要的功率要比在10 kHz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20~40 kHz。
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,气泡中蒸汽压增大,因此气泡闭合时增强了缓冲作用而使空化减弱。
空化阈
空化阈是使液体介质产生空化作用的最低声强或声压振幅。只有当交变声压幅 大于静压力, 才能出现负压。而只有当负压超过液体介质的黏度时,才会产生空化作用。
空化阈随不同的液体介质而不同, 对于同一液体介质,不同的温度、压力、空化核的半径以及含气量, 空化阈值也不同。一般来说,液体介质含气量越少, 空化阈就越高。空化阈还与液体介质的黏滞性有关, 液体介质的黏度越大,空化阔也越高。
空化阈与超声波的频率有着十分密切的关系,超声波的频率越高,空化阈也越高。超声波的频率越高,越难空化,要产生空化作用,就必须增加超声波的强度。