超聲波的空化作用形成原因
超聲波空化作用是指存在于液體中的微氣核空化泡在超聲波的作用下產(chǎn)生振動(dòng)，當(dāng)此聲壓達(dá)到一定數(shù)值時(shí)所發(fā)生的生長和崩潰的動(dòng)力學(xué)過程。超聲波在液體中形成的空穴崩潰會(huì)產(chǎn)生的高溫、高壓、放電、發(fā)光和激震波等作用。其中空穴形成的因素可能是強(qiáng)烈的超聲波的照射,爆炸時(shí)的激震,高速流體沖激摩擦或劇烈的化學(xué)反應(yīng)等。
超聲波空化作用原理
超聲波空化作用一般包括3個(gè)過程：既空化泡的形成、長大和劇烈的崩潰。具體來說當(dāng)裝滿液體的容器通入超聲波后，由于液體在振動(dòng)過程中產(chǎn)生數(shù)以萬計(jì)的微小氣泡，也就是空化泡。這些氣泡在超聲波縱向傳播中形成的負(fù)壓區(qū)生長，而在正壓區(qū)迅速閉合，從而在交替正負(fù)壓強(qiáng)下受到壓縮和拉伸作用。在氣泡被壓縮直至崩潰的一瞬間，會(huì)產(chǎn)生巨大的瞬時(shí)壓力，一般可高達(dá)幾十兆帕至上百兆帕。據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)測得：空化作用可以使氣相反應(yīng)區(qū)的溫度達(dá)到5200K 左右，液相反應(yīng)區(qū)的有效溫度達(dá)到1900 K左右，局部壓力在5．O5×10 kPa，溫度變化率高達(dá)10 K／s，并伴有強(qiáng)烈的沖擊波和時(shí)速達(dá)400 km 的微射流。在這種巨大的瞬時(shí)壓力下，可以使懸浮在液體中的固體表面受到急劇的破壞。通常將超聲波空化分為穩(wěn)態(tài)空化和瞬間空化兩種類型：
1）穩(wěn)態(tài)空化是指在聲強(qiáng)較低(一般小于10 w／cm )時(shí)產(chǎn)生的空化泡，其大小在其平衡尺寸附近振蕩，生成周期達(dá)數(shù)個(gè)循環(huán)。當(dāng)擴(kuò)大到使其自身共振頻率與聲波頻率相等時(shí)，發(fā)生聲場與氣泡的最大能量耦合，產(chǎn)生明顯的空化作用。
2）瞬態(tài)空化則是指在較大的聲強(qiáng)(一般大于1O w／cm )作用下產(chǎn)生的生存周期較短的空化泡(大都發(fā)生在1個(gè)聲波周期內(nèi))。
超聲波空化作用的應(yīng)用
超聲波利用其空化作用以及其空化所伴隨著機(jī)械效應(yīng)、熱效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、生物效應(yīng)等等廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，機(jī)械效應(yīng)的應(yīng)用主要表現(xiàn)在非均相反應(yīng)界面的增大；而化學(xué)效應(yīng)的應(yīng)用主要是由于空化過程中產(chǎn)生的高溫高壓使得高分子分解、化學(xué)鍵斷裂和產(chǎn)生自由基等。利用機(jī)械效應(yīng)的過程包括吸附、結(jié)晶、電化學(xué)、非均相化學(xué)反應(yīng)、過濾以及超聲清洗等，利用化學(xué)效應(yīng)的過程主要包括有機(jī)物降解、高分子化學(xué)反應(yīng)以及其他自由基反應(yīng)。超聲波空化作用可用于促進(jìn)化學(xué)反應(yīng),粉碎液內(nèi)懸浮物,制造乳劑,殺滅細(xì)菌或清洗機(jī)件等許多行業(yè)。其中超聲波清洗早已經(jīng)普遍采用了。
影響超聲波空化作用的因素
超聲波空化作用的強(qiáng)弱與聲學(xué)參數(shù)以及液體的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。具體包括以下幾個(gè)方面：
1）超聲波強(qiáng)度。超聲波強(qiáng)度指單位面積上的超聲功率，空化作用的產(chǎn)生大小與超聲波強(qiáng)度有關(guān)。對(duì)于一般液體超聲波強(qiáng)度增加時(shí)，空化作用強(qiáng)度也隨之增大，但達(dá)到一定數(shù)值后，空化會(huì)趨于飽和，此時(shí)再增加超聲波強(qiáng)度則會(huì)產(chǎn)生大量無用氣泡，從而增加了散射衰減，降低了空化強(qiáng)度。
2）超聲波頻率。超聲波頻率越低，在液體中產(chǎn)生空化作用就越容易。也就是說要引起空化，頻率愈高，所需要的聲強(qiáng)愈大。例如要在水中產(chǎn)生空化作用，超聲波頻率在400 kHz時(shí)所需要的功率要比在10 kHz時(shí)大10倍，即空化作用是隨著頻率的升高而降低的。一般采用的頻率范圍20-40 kHz。
3）液體的表面張力與黏滯系數(shù)。 液體的表面張力越大，空化強(qiáng)度越高，越不易于產(chǎn)生空化作用。黏滯系數(shù)大的液體難以產(chǎn)生空化泡，而且傳播過程中損失也大，因此同樣不易產(chǎn)生空化作用。
4）液體的溫度。液體溫度越高，對(duì)空化的產(chǎn)生越有利，但也不是絕對(duì)的，因?yàn)楫?dāng)溫度過高時(shí)，氣泡中蒸汽壓增大，因此氣泡閉合時(shí)增強(qiáng)了緩沖作用而使空化作用減弱。