Приведем несколько наиболее занимательных и
познавательных на мой взгляд статей из книги: Ультразвуковые процессы и
аппараты в биологии и медицине". Учебное пособие для студентов
специальности 190500, под редакцией профессора В.Н. Лясникова (СГТУ,
Саратов 2005 г. тираж 100 экземпляров), данную книгу можно взять в
городской библиотеке г. Саратова на ул. академика Зарубина и ознакомится
с ней более подробно.
Под акустической кавитацией понимают образование и
активацию газовых или паровых полостей (пузырьков) в среде, подвергаемой
ультразвуковому воздействию. По общепринятой терминологии, существуют
два типа активности пузырьков: стабильная кавитация и коллапсирующая,
или нестационарная, кавитация, хотя граница между ними не всегда четко
очерчена. Стабильные полости пульсируют под воздействием давления
ультразвукового поля. Радиус пузырька колеблется около равновесного
значения, полость существует в течение значительного числа периодов
звукового поля. С активностью такой стабильной кавитации может быть
связано возникновение акустических микропотоков и высоких сдвиговых
напряжений. Коллапсирующие или нестационарные полости осциллируют
неустойчиво около своих равновесных размеров, вырастают в несколько раз
и энергично схлопываются. Схлопыванием таких пузырьков могут быть
обусловлены высокие температуры и давления, а также преобразование
энергии ультразвука в излучение света или химические реакции. На
пылинках и примесных частицах, содержащихся в жидкостях, могут
существовать микротрещины. Избыточное давление внутри частичек,
задаваемое а/R, где R - радиус частичек и а - коэффициент поверхностного
натяжения, мало, но под действием звука достаточно высокой интенсивности
газ может накачиваться в них, и полости могут расти. Было показано, что
интенсивность звука, необходимая для получения кавитации, заметно
повышается при увеличении чистоты жидкости. Малые пузырьки могут расти
вследствие процесса, называемого выпрямленной, или направленной,
диффузией. Объяснение этого явления состоит в том, что за период
акустического поля газ поочередно диффундирует в пузырек во время фазы
разрежения и из пузырька во время фазы сжатия. Так как поверхность
пузырька в фазе разрежения максимальна, суммарный поток газа направлен
внутрь пузырька, поэтому пузырек растет. Чтобы пузырек рос за счет
выпрямленной диффузии, амплитуда акустического давления должна превысить
пороговое значение. Порог выпрямленной диффузии и определяет порог
кавитации [3, 5].
В медицине чаще всего используют взаимодействие ультразвуковых волн с
жидкостями (приготовление суспензий и аэрозолей, эмульсий в
фармакологии; очистка инструментария; воздействие на человеческие ткани,
в значительной мере содержащие жидкости - кровь, лимфа и т. п.). Поэтому
следует подробнее рассмотреть эффекты, возникающие в жидкостях при
прохождении ультразвуковых волн.
При интенсивности ультразвука более 0,3 Вт/см2 в жидкой среде возникают
следующие явления:
1) Генерирование и передача тепла, возникающие вследствие потерь
энергии, неизбежных при распространении ультразвуковых колебательных
процессов.
3) Акустические течения - стационарные вихревые микро- и макропотоки
жидкости, возникающие в ультразвуковом поле при колебаниях воздушного
пузырька вблизи поверхности твёрдого тела.
4) Химические эффекты - ускорение различных химических реакций,
деполимеризаци, электрохимических процессов.
5) Диффузионные эффекты - интенсификация процессов проникновения молекул
и атомов через стенки клеток, пористые мембраны и фильтры, уменьшение
толщины пограничного слоя на поверхности раздела "жидкость - твёрдое
тело".
6) Механические эффекты, заключающиеся прежде всего в эрозии поверхности
материалов, помещённых в озвучиваемую жидкость. Эрозия возникает
вследствие действия давлений, создаваемых при захлопывания кавитационных
микропузырьков. Эти эффекты используются для удаления различных
загрязнений, диспергирования и гомогенизации.
7) Эффект вакуума - в фазе разрежения колеблющейся среды снижается
температура кипения жидкости, что ускоряет сушку порошкообразных и
пористых материалов при пониженной температуре.
8) Капиллярные эффекты - под воздействием ультразвука значительно
повышается скорость и уровень подъёма жидкости в капиллярах облегчается
её проникновение в пористые и другие неоднородные материалы.
Кавитация возникает в жидкости там, где происходят местные понижения
давления, следствием чего являются локальные разрывы на расстояниях
несколько микрометров. При гидродинамической кавитации на вращающихся
лопастях турбин, насосов, корабельных винтов образование разрывов
происходит вследствие быстрого турбулентного течения жидкости. При
акустической кавитации причиной местных разрывов жидкости служат
гармонически меняющиеся давления, возникающие при распространении
ультразвуковых волн.
При низких интенсивностях ультразвукового поля (0,3 Вт/см2) образуются
мелкие пузырьки диаметром до 0,1 мм, скапливающиеся в узлах стоячей
волны и сохраняющиеся здесь некоторое время. Первопричиной их являются
выделившиеся газы, которые коагулировали в пузырьки. Под действием
периодически меняющегося давления пузырьки пульсируют и изменяют свой
объём в соответствии с частотой изменения звукового давления. При
повышении интенсивности ультразвука часть растворившихся
газов начинает выделяться, сливаясь в крупные пузырьки, поднимающиеся к
поверхности. Происходит дегазация. Описанный процесс называется газовой
или псевдокавитацией. В дегазированной жидкости происходит истинная
кавитация.
Для разрыва идеальной жидкости необходимо преодолеть силы
межмолекулярного взаимодействия. Реальные жидкости в зависимости от
температуры, гидростатического давления и содержания примесей имеют
меньшие предельные напряжения разрыва. Так, реальная вода имеет
прочность на разрыв не более 28 МПа, а идеальная - 160 МПа [3, 5].
Поэтому для реальных жидкостей порог кавитации - минимальное значение
акустического давления, необходимого для образования кавитационных
полей, всегда ниже теоретической прочности идеальной жидкости.
При захлопывании кавитационного пузырька возникает локальное
кратковременное повышение температуры до нескольких тысяч градусов, а
также местное повышение давления. Поскольку таких пузырьков образуется
до нескольких миллионов в секунду, образуется кавитационная область, где
действие указанных факторов весьма значительно. Захлопывание
кавитационных разрывов вызывает образование ударных волн, которые
создают в ближайшей зоне давления, в 100 раз превышающие первичное
давление акустического поля.
Динамика кавитационной области описывается дифференциальным уравнением
Непайреса-Нолтинга [3, 5]:
где Ro - начальный радиус пузырька в момент времени t=0;
Р - амплитуда давления звуковой волны; f- частота колебаний; Ро -
гидростатическое давление; р - плотность жидкости; а - поверхностное
натяжение; R - текущий радиус пузырька.
Начальный радиус пузырька может быть определён по формуле
Минаэрта-Смита [5]:
где х - отношение теплоемкостей газа в пузырьке,
равное для воды 1,14.
Обычно последним слагаемым в формуле (2.2) пренебрегают и она выглядит
следующим образом:
Согласно Рэлею, максимальное давление в жидкости на
расстоянии 1.587R от центра пузырька равно [5]:
Расчёты показывают, что при R=0,05Ro и Ро=1 атм Р=1260
атм. Давление на фронте кавитационной ударной волны может также
определяться следующим образом:
где Z=Rmin / Rmax - безразмерный минимальный радиус
пузырька;
b=РП / Ро - параметр, характеризующий
содержание воздуха в полости; Pn=Pd + Рв - давление внутри пузырька при
его максимальном радиусе; Pd и Р" - парциальные давления насыщенного
пара и воздуха.
Если пузырёк уменьшается от исходного радиуса Ro до радиуса R, то
создаётся давление [5]:
где Р - сжимаемость жидкости, равная для воды 50-10"6
атм-1.
Полное смыкание пузырька при данном гидростатическом давлении происходит
за время:
Из выражения (2.7) следует, что увеличение частоты
колебаний сопровождается уменьшением размеров полостей из-за сокращения
времени цикла расширения и захлопывания. Число полостей поддерживается в
равновесии в зависимости от акустического давления. Также с увеличением
частоты колебаний увеличивается порог кавитации.
По вопросам размещения рекламы, ссылок, обмену
ссылками пишите на:
office@matrixplus.ru
p.s.
При копировании материалов и фотографий активная ссылка на сайт обязательна.
