Co je ultrazvuková kavitace?

Když tlak šířící zvukovou vlnu šířenou ultrazvukovým vibracemi v kapalině dosáhne jedné atmosféry, může špičkový tlak ultrazvukové vlny dosáhnout vakuového nebo negativního tlaku. Ve skutečnosti však není přítomen žádný negativní tlak, takže v kapalině je generována velká síla, která přitahuje kapalné molekuly do dutin. Tato dutina je velmi blízko k vakuu a praskne, když ultrazvukový tlak dosáhne svého maximálního směru. Silný dopad generovaný prasknutím zasáhne nečistoty na povrchu objektu. Fenomén rázové vlny generované prasknutím nespočetných malých kavitačních bublin se nazývá fenomén „kavitace“.

Když je ultrazvuková energie dostatečně vysoká, malé bubliny (kavitační jádra) existující v kapalině vibrují, rostou a neustále shromažďují akustickou energii pole pod působením ultrazvukového pole. Když energie dosáhne určitého prahu, kavitační bubliny se zhroutí a rychle zavřete.

Životnost kavitačních bublin je asi 0. 1 μs. Když se rychle kolapsu, mohou uvolňovat obrovskou energii a generovat mikro trysky rychlostí asi 110 m/s a silnou nárazovou silou, což vede k hustotě kolize až 1,5 kg/cm2. V okamžiku rychlého kolapsu generují kavitační bubliny lokální vysokou teplotu a tlak (5000k, 1800atm), s rychlostí chlazení až 109 k/s. Kavitační účinek ultrazvuku výrazně zvyšuje rychlost heterogenních reakcí, dosahuje rovnoměrného míchání mezi heterogenními reaktanty, urychluje difúzi reakčních složek a produktů, podporuje tvorbu nových fází a kontroluje velikost a distribuci částic.

Další informace:

Když se ultrazvuk šíří v médiu, interakce mezi ultrazvukem a médiem způsobuje v médiu fyzikální a chemické změny, což vede k řadě mechanických, tepelných, elektromagnetických a chemických ultrazvukových účinků, včetně následujících čtyř účinků:

1. Mechanické účinky. Mechanický účinek ultrazvuku může podpořit emulgaci kapaliny, zkapalnění gelu a rozptyl pevné látky. Když jsou v ultrazvukových tekutinových médiích vytvářeny stojící vlny, malé částice zavěšené v tekutině kondenzují v uzlech v důsledku mechanických sil a vytvářejí periodické akumulace v prostoru.

Indukovaná polarizace a magnetizace způsobená mechanickým působením ultrazvukových vln během šíření v piezoelektrických a magnetostrikčních materiálech (viz dielektrická fyzika a magnetoStriction).

2. kavitační efekt. Ultrazvukové vlny mohou při aplikaci na tekutiny generovat velké množství malých bublin. Jedním z důvodů je to, že uvnitř kapaliny dochází k lokálnímu tahovému napětí, což vytváří negativní tlak. Snížení tlaku způsobuje, že plyn se původně rozpustil v kapalině, který se stal nadsyženým a únikem z kapaliny a stává se malými bublinami.

Dalším důvodem je to, že silné tahové napětí roztrhne kapalinu do dutiny, známé jako kavitace. Dutina obsahuje kapalné páry nebo jiný plyn rozpuštěný v kapalině a může to být dokonce vakuum. Malé bubliny vytvořené kavitací se budou neustále pohybovat, růst nebo najednou prasknout s vibracemi okolního média.

3. tepelný efekt. Vzhledem k vysoké frekvenci a energii ultrazvuku může produkovat významné tepelné účinky, když je absorbováno médiem.

4. Chemické účinky. Účinek ultrazvuku může podporovat nebo urychlit určité chemické reakce. Například čistá destilovaná voda produkuje peroxid vodíku po ultrazvuku; Kyselina dusinová se produkuje po ultrazvukovém zpracování vody obsahujícího dusík; Vodný roztok barviva změní barvu nebo vyblednutí po ultrazvukovém ošetření.