Какво е ултразвукова кавитация?
Когато налягането на звуковата вълна, разпространена от ултразвукова вибрация в течност, достигне до една атмосфера, пиковото налягане на ултразвуковата вълна може да достигне вакуум или отрицателно налягане. В действителност обаче няма отрицателно налягане, така че в течността се генерира голяма сила, която дърпа течните молекули в празнини. Тази кухина е много близо до вакуум и се разкъсва, когато ултразвуковото налягане достигне максималната си обратна посока. Силното въздействие, генерирано от разкъсване, удря мръсотията върху повърхността на обекта. Феноменът на ударна вълна, генериран от разкъсване на безброй малки кавитационни мехурчета, се нарича феномен на „кавитация“.
Когато ултразвуковата енергия е достатъчно висока, мъничките мехурчета (кавитационни ядра), съществуващи в течността, вибрират, растат и непрекъснато събират акустична полева енергия под действието на ултразвуковото поле. Когато енергията достигне определен праг, кавитационните мехурчета се сриват и се затварят бързо.
Животът на кавитационните мехурчета е около 0. 1 μ s. Когато се сринат бързо, те могат да отделят огромна енергия и да генерират микро струи със скорост около 110 м/сек и силна сила на удар, което води до плътност на сблъсък до 1,5 кг/см2. В момента на бърз срив, мехурчетата за кавита генерират локална висока температура и налягане (5000k, 1800ATM), със скорост на охлаждане до 109k/s. Ефектът на кавитацията на ултразвука значително увеличава скоростта на хетерогенни реакции, постига равномерно смесване между хетерогенни реагенти, ускорява дифузията на реагентите и продуктите, насърчава образуването на твърди нови фази и контролира размера и разпределението на частиците.
Допълнителна информация:
Когато ултразвукът се разпространява в среда, взаимодействието между ултразвук и средата причинява физически и химични промени в средата, което води до серия от механични, термични, електромагнитни и химични ултразвукови ефекти, включително следните четири ефекта:
1. Механични ефекти. Механичното действие на ултразвука може да насърчи емулгирането на течността, втечняването на гел и дисперсията на твърдото вещество. Когато стоящите вълни се образуват в ултразвукова течност, малки частици, суспендирани в течността, кондензират при възлите поради механични сили, образувайки периодични натрупвания в пространството.
Индуцираната поляризация и магнетизация, причинени от механичното действие на ултразвуковите вълни по време на разпространението в пиезоелектрични и магнитостриктивни материали (виж диелектричната физика и магнитострикция).
2. Ефект на кавитация. Ултразвуковите вълни могат да генерират голям брой малки мехурчета, когато се прилагат върху течности. Една от причините е, че местният напрежение на опън се появява вътре в течността, образувайки отрицателно налягане. Намаляването на налягането причинява първоначално разтворения газ в течността да се пренасити и да избяга от течността, превръщайки се в малки мехурчета.
Друга причина е, че силното напрежение на опън разкъсва течността в кухина, известна като кавитация. Кухината съдържа течна пара или друг газ, разтворен в течността и дори може да бъде вакуум. Малките мехурчета, образувани от кавитация, непрекъснато ще се движат, растат или внезапно ще се спукат с вибрацията на заобикалящата среда.
3. Топлинен ефект. Поради високата честота и енергия на ултразвука, той може да доведе до значителни топлинни ефекти, когато се абсорбира от средата.
4. Химически ефекти. Действието на ултразвука може да насърчи или ускори определени химични реакции. Например, чистата дестилирана вода произвежда водороден пероксид след ултразвукова третиране; Азотната киселина се получава след ултразвукова третиране на вода, съдържаща азотен газ; Водният разтвор на багрилото ще промени цвета или избледняването след ултразвуково лечение.
