超声波空化及其应用

　　1 超声波的原理与性质

　　超声波是指频率高于20kHz,人耳一般听不见的声波。它在介质中主要产生2种形式的机械振荡,即横向振荡(横波)和纵向振荡(纵波),前者只能于固体中产生,而后者则可在固、液、气体中产生。由于超声波频率高,波长短,因而在传播过程中具有许多特性[1-2]。

　　1)定向性好由于超声波的波长比在同样介质中的声波波长短得多,因而衍射现象很不明显,所以传播直进性好,具有很强的定向性,而且频率越高,定向性越好。

　　2)能量大由于波的强度与频率成正比,因此,当振幅相同时,超声波比普通声波具有大得多的能量。根据有关声学实验测定,频率为1000kHz超声波的能量是1kHz的100万倍。

　　3)穿透力强虽然超声波在气体中衰减很强,但在固体和液体中衰减较弱,因而具有极强的穿透力。在不透明的固体中,超声波能够穿透几十米的厚度。所以超声波在固体和液体中应用较广。

　　2 超声波空化作用

　　超声波空化作用是指存在于液体中的微气核(空化泡)在声波的作用下振动,当声压达到一定值时发生的生长和崩溃的动力学过程。空化作用一般包括3个阶段:空化泡的形成、长大和剧烈的崩溃。

　　图1为盛满液体的容器。当通入超声波后,由于液体振动而产生数以万计的微小气泡,即空化泡。这些气泡在超声波纵向传播形成的负压区生长,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。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。Suslick等人测得:空化可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1900K左右,局部压力在5.05x10⁴kPa,温度变化率高达109K/s,并伴有强烈的冲击波和时速达400km的微射流。这种巨大的瞬时压力,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2种类型[3-4]。稳态空化是指在声强较低(一般小于10w/cm²)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。瞬态空化则是指在较大的声强(一般大于10W/cm²)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)。

　　超声波的空化伴随着机械效应、热效应、化学效应、生物效应等等。

　　3 影响超声波空化的因素

　　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[2,5]。

　　1)超声波强度 超声波强度指单位面积上的超声功率,空化作用的产生与超声波强度有关。对于一般液体超声波强度增加时,空化强度增大,但达到一定值后,空化趋于饱和,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。