Кавитация акустическая

КАВИТАЦИЯ АКУСТИЧЕСКАЯ, возникновение в жидкости пузырьков, заполненных газом, паром и/или их смесью, под действием акустических волн. Кавитационные пузырьки (КП) образуются в жидкости в фазе разрежения акустической волны, если амплитуда звукового давления превосходит некоторое критическое значение, называемое порогом кавитации. Разрыв сплошности при кавитации акустической возможен лишь в тщательно дегазированных, очищенных жидкостях и при весьма высоких интенсивностях ультразвука. Гораздо более вероятен рост уже имеющихся микропузырьков и других неоднородностей в жидкости - так называемых кавитационных зародышей. Поведение КП характеризуется пульсацией, осцилляцией, ростом, расщеплением и т. п. В акустических полях ультразвуковой частоты КП весьма малы (10^-1-10^-4 см); в мощных акустических полях низких частот (10-200 Гц) размер КП может достигать 1-2 см.

После включения У3-поля происходит рост числа КП и за доли секунды устанавливается стационарный процесс многопузырьковой кавитации с постоянным числом пузырьков (так называемая развитая кавитация). При этом происходит деформация пузырьков, их дробление, группировка с образованием областей сложной, изменчивой формы. Такие «кавитационные облака» вблизи поверхностей излучателей ограничивают интенсивность их излучения. В кавитационном поле возникают мощные гидродинамические возмущения: образуются микропотоки, вызывающие интенсивное перемешивание жидкости; в фазе сжатия возникают микроударные волны, способные разрушать весьма прочные материалы.

Широкое распространение получила тепловая теория кавитационных явлений, согласно которой КП пульсирует, всасывает некоторое количество газа, а затем схлопывается. При сжатии КП с большой скоростью происходит локальный разогрев до высоких температур; таким образом, могут объясняться многие физико-химические явления, вызванные кавитацией акустической. Однако исследования показали, что в многопузырьковом кавитационном поле значительную роль играют взаимодействие и деформация КП, а также их поступательное движение. С учётом этих эффектов максимально достижимая температура в реальных КП не превышает 700 °С, т. е. оказывается существенно ниже, чем требует тепловая теория. Тепловая теория не может объяснить многих экспериментальные факты: звуколюминесценцию и сонохимическая реакции при низких интенсивностях ультразвука (порядка 10^-3 Вт/см²), звуколюминесценцию в очень вязких жидкостях и в полимерах в момент их плавления и др.

Наиболее приемлемой для понимания природы звуколюминесценции и сонохимических реакций является теория локальной электризации. Согласно этой теории, пульсация пузырьков приводит к их росту, деформации и расщеплению. В жидкости у поверхности раздела с пузырьком образуется двойной электрический слой, в результате «смывания» диффузной части которого возникает нескомпенсированный электрический заряд. При достижении критической напряжённости электрического поля происходит электрический пробой внутри пузырька, чем и объясняются звуколюминесценция и сонохимическая реакции в «холодном» КП.

В конце 20 века в симметричной стоячей волне в дегазированной жидкости обнаружено возникновение однопузырьковой кавитации акустической, при которой, в отличие от обычной многопузырьковой кавитации акустической, достигаются более высокие температуры. В связи с этим проводятся исследования, направленные на создание УЗ термоядерной установки.

Кавитация акустическая и связанные с ней физико-химические явления находят широкое применение в различных технологических процессах с целью диспергирования твёрдых тел, дегазации жидкости, эмульгирования несмешивающихся жидкостей, инициирования и ускорения химических реакций и т. п. Особое распространение получило использование кавитации акустической для очистки поверхностей деталей, для УЗ-пайки и сварки. Кавитация  акустическая применяется в биологии и медицине для обезвреживания и стерилизации жидкостей, выделения биологически активных веществ из растительных клеток, а также при хирургических операциях с использованием фокусирующих У3-преобразователей.

Лит.: Перник А. Д. Проблемы кавитации. 2-е изд. Л., 1966; Физика и техника мощного ультразвука / Под редакцией Л. Д. Розенберга. М., 1968. Кн. 2: Мощные ультразвуковые поля; Маргулис М. А. Звукохимические реакции и сонолюминесценция. М., 1986; Young F. R. Cavitation. L.; N. Y., 1989.