Kaj je ultrazvočna kavitacija?
Ko tlak zvočnega vala, ki se širi z ultrazvočno vibracijo v tekočini, doseže eno atmosfero, lahko najvišji tlak ultrazvočnega vala doseže vakuum ali negativen tlak. Vendar v resnici ni negativnega tlaka, zato v tekočini nastane velika sila, ki potegne molekule tekočine v praznine. Ta votlina je zelo blizu vakuumu in poruši, ko ultrazvočni tlak doseže največjo obratno smer. Močan vpliv, ki ga povzroča ruptura, zadene umazanijo na površini predmeta. Pojav udarnega vala, ki nastane zaradi rupture neštetih majhnih kavitacijskih mehurčkov, se imenuje pojav "kavitacije".
Ko je ultrazvočna energija dovolj visoka, drobni mehurčki (kavitacijska jedra), ki obstajajo v tekočini vibrirajo, rastejo in nenehno zbirajo akustično polno energijo pod delovanjem ultrazvočnega polja. Ko energija doseže določen prag, se kavitacijski mehurčki zrušijo in se hitro zaprejo.
Življenjska doba kavitacijskih mehurčkov je približno 0. 1 μ s. Ko se hitro zrušijo, lahko sprostijo ogromno energije in ustvarijo mikro curke s hitrostjo približno 110m/s in močno silo udarcev, kar ima za posledico gostoto trka do 1,5kg/cm2. V trenutku hitrega propada kavitacijski mehurčki ustvarjajo lokalno visoko temperaturo in tlak (5000K, 1800ATM), s hitrostjo hlajenja do 109k/s. Kavitacijski učinek ultrazvoka močno poveča hitrost heterogenih reakcij, doseže enakomerno mešanje med heterogenimi reaktanti, pospeši difuzijo reaktantov in produktov, spodbuja tvorbo trdnih novih faz in nadzoruje velikost in porazdelitev delcev.
Dodatne informacije:
Ko se ultrazvok širi v mediju, interakcija med ultrazvokom in medijem povzroči fizične in kemične spremembe v mediju, kar ima za posledico vrsto mehanskih, toplotnih, elektromagnetnih in kemičnih ultrazvočnih učinkov, vključno z naslednjimi štirimi učinki:
1. mehanski učinki. Mehansko delovanje ultrazvoka lahko spodbudi emulgiranje tekočine, utekočinjanje gela in razpršenost trdne snovi. Ko se stojijo valovi v ultrazvočnem tekočem mediju, se drobni delci suspendirajo v tekočini kondenzirajo na vozliščih zaradi mehanskih sil, ki tvorijo periodične akumulacije v prostoru.
Inducirana polarizacija in magnetizacija, ki jo povzroča mehansko delovanje ultrazvočnih valov med širjenjem v piezoelektričnih in magnetrikcijskih materialih (glej dielektrično fiziko in magnetostrikcijo).
2. kavitacijski učinek. Ultrazvočni valovi lahko ustvarijo veliko število majhnih mehurčkov, če se nanesejo na tekočine. Eden od razlogov je, da se znotraj tekočine pojavi lokalni natezni stres, ki tvori negativni tlak. Znižanje tlaka povzroči, da se plin, ki je bil prvotno raztopljen v tekočini, postanejo prenasičeni in pobegnejo iz tekočine, kar postane majhni mehurčki.
Drugi razlog je, da močan natezni stres raztrga tekočino v votlino, znano kot kavitacija. Vdolbina vsebuje tekoče hlape ali drug plin, raztopljen v tekočini in je lahko celo vakuum. Majhni mehurčki, ki jih tvori kavitacija, se bodo nenehno premikali, rasli ali nenadoma počili z vibracijo okoliškega medija.
3. Termični učinek. Zaradi visoke frekvence in energije ultrazvoka lahko povzroči pomembne toplotne učinke, če ga absorbirajo medij.
4. Kemični učinki. Delovanje ultrazvoka lahko spodbuja ali pospešuje nekatere kemične reakcije. Na primer, čista destilirana voda proizvaja vodikov peroksid po ultrazvočni obdelavi; Dušikova kislina se proizvaja po ultrazvočnem obdelavi vode, ki vsebuje dušikov plin; Vodna raztopina barvila bo spremenila barvo ali zbledela po ultrazvočni obdelavi.
