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生振動,當此聲壓達到一定數值時所發生的生長和崩潰的動力學過程。超聲波在液體中形成的空穴崩潰會產生的高溫、高壓、放電、發光和激震波等作用。其中空穴形成的因素可能是強烈的超聲波的照射,爆炸時的激震,高速流體沖激摩擦或劇烈的化學反應等。

超聲波空化作用原理

超聲波空化作用一般包括3個過程:既空化泡的形成、長大和劇烈的崩潰。具體來說當裝滿液體的容器通入超聲波后,由于液體在振動過程中產生數以萬計的微小氣泡,也就是空化泡。這些氣泡在超聲波縱向傳播中形成的負壓區生長,而在正壓區迅速閉合,從而在交替正負壓強下受到壓縮和拉伸作用。在氣泡被壓縮直至崩潰的一瞬間,會產生巨大的瞬時壓力,一般可高達幾十兆帕至上百兆帕。據相關實驗測得:空化作用可以使氣相反應區的溫度達到5200K 左右,液相反應區的有效溫度達到1900 K左右,局部壓力在5.O5×10 kPa,溫度變化率高達10 K/s,并伴有強烈的沖擊波和時速達400 km 的微射流。在這種巨大的瞬時壓力下,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態空化和瞬間空化兩種類型:

1)穩態空化是指在聲強較低(一般小于10 w/cm )時產生的空化泡,其大小在其平衡尺寸附近振蕩,生成周期達數個循環。當擴大到使其自身共振頻率與聲波頻率相等時,發生聲場與氣泡的最大能量耦合,產生明顯的空化作用。

2)瞬態空化則是指在較大的聲強(一般大于1O w/cm )作用下產生的生存周期較短的空化泡(大都發生在1個聲波周期內)。

超聲波空化作用的應用

超聲波利用其空化作用以及其空化所伴隨著機械效應、熱效應、化學效應、生物效應等等廣泛應用于各個行業,機械效應的應用主要表現在非均相反應界面的增大;而化學效應的應用主要是由于空化過程中產生的高溫高壓使得高分子分解、化學鍵斷裂和產生自由基等。利用機械效應的過程包括吸附、結晶、電化學、非均相化學反應、過濾以及超聲清洗等,利用化學效應的過程主要包括有機物降解、高分子化學反應以及其他自由基反應。超聲波空化作用可用于促進化學反應,粉碎液內懸浮物,制造乳劑,殺滅細菌或清洗機件等許多行業。其中超聲波清洗早已經普遍采用了。

影響超聲波空化作用的因素

超聲波空化作用的強弱與聲學參數以及液體的物理化學性質有關。具體包括以下幾個方面:

1)超聲波強度。超聲波強度指單位面積上的超聲功率,空化作用的產生大小與超聲波強度有關。對于一般液體超聲波強度增加時,空化作用強度也隨之增大,但達到一定數值后,空化會趨于飽和,此時再增加超聲波強度則會產生大量無用氣泡,從而增加了散射衰減,降低了空化強度。

2)超聲波頻率。超聲波頻率越低,在液體中產生空化作用就越容易。也就是說要引起空化,頻率愈高,所需要的聲強愈大。例如要在水中產生空化作用,超聲波頻率在400 kHz時所需要的功率要比在10 kHz時大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。 液體的表面張力越大,空化強度越高,越不易于產生空化作用。黏滯系數大的液體難以產生空化泡,而且傳播過程中損失也大,因此同樣不易產生空化作用。

4)液體的溫度。液體溫度越高,對空化的產生越有利,但也不是絕對的,因為當溫度過高時,氣泡中蒸汽壓增大,因此氣泡閉合時增強了緩沖作用而使空化作用減弱。