超声波的空化作用

超声波的空化作用形成原因

超声波空化作用是指存在于液体中的微气核空化泡在超声波的作用下产生振动，当此声压达到一定数值时所发生的生长和崩溃的动力学过程。超声波在液体中形成的空穴崩溃会产生的高温、高压、放电、发光和激震波等作用。其中空穴形成的因素可能是强烈的超声波的照射,爆炸时的激震,高速流体冲激摩擦或剧烈的化学反应等。

超声波空化作用原理

超声波空化作用一般包括3个过程：既空化泡的形成、长大和剧烈的崩溃。具体来说当装满液体的容器通入超声波后，由于液体在振动过程中产生数以万计的微小气泡，也就是空化泡。这些气泡在超声波纵向传播中形成的负压区生长，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作用。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。据相关实验测得：空化作用可以使气相反应区的温度达到5200K 左右，液相反应区的有效温度达到1900 K左右，局部压力在5．O5×10 kPa，温度变化率高达10 K／s，并伴有强烈的冲击波和时速达400 km 的微射流。在这种巨大的瞬时压力下，可以使悬浮在液体中的固体表面受到急剧的破坏。通常将超声波空化分为稳态空化和瞬间空化两种类型：

1）稳态空化是指在声强较低(一般小于10 w／cm )时产生的空化泡，其大小在其平衡尺寸附近振荡，生成周期达数个循环。当扩大到使其自身共振频率与声波频率相等时，发生声场与气泡的最大能量耦合，产生明显的空化作用。

2）瞬态空化则是指在较大的声强(一般大于1O w／cm )作用下产生的生存周期较短的空化泡(大都发生在1个声波周期内)。

超声波空化作用的应用

超声波利用其空化作用以及其空化所伴随着机械效应、热效应、化学效应、生物效应等等广泛应用于各个行业，机械效应的应用主要表现在非均相反应界面的增大；而化学效应的应用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。超声波空化作用可用于促进化学反应,粉碎液内悬浮物,制造乳剂,杀灭细菌或清洗机件等许多行业。其中超声波清洗早已经普遍采用了。

影响超声波空化作用的因素

超声波空化作用的强弱与声学参数以及液体的物理化学性质有关。具体包括以下几个方面：

1）超声波强度。超声波强度指单位面积上的超声功率，空化作用的产生大小与超声波强度有关。对于一般液体超声波强度增加时，空化作用强度也随之增大，但达到一定数值后，空化会趋于饱和，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。

2）超声波频率。超声波频率越低，在液体中产生空化作用就越容易。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作用，超声波频率在400 kHz时所需要的功率要比在10 kHz时大10倍，即空化作用是随着频率的升高而降低的。一般采用的频率范围20-40 kHz。

3）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，越不易于产生空化作用。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作用。

4）液体的温度。液体温度越高，对空化的产生越有利，但也不是绝对的，因为当温度过高时，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作用减弱。