Кавитация.
При распространении интенсивных ультразвуковых колебаний (интенсивностью более 1...2 Вт/см2) в жидкости наблюдается, обусловленный ультразвуковым давлением эффект, называемый ультразвуковой кавитацией. Под акустической кавитацией понимают образование и активацию газовых или паровых полостей (пузырьков) в среде, подвергаемой ультразвуковому воздействию [4,5]. По общепринятой терминологии существуют два типа активности пузырьков: стабильная кавитация и коллапсирующая, или не стационарная, кавитация, хотя граница между ними не всегда четко очерчена. Стабильные полости пульсируют под воздействием давления ультразвукового поля. Радиус пузырька колеблется около равновесного значения, полость существует в течение значительного числа периодов звукового поля. С активностью такой стабильной кавитации может быть связано возникновение акустических микропотоков и высоких сдвиговых напряжений. Коллапсирующие или нестационарные полости осциллируют неустойчиво около своих равновесных размеров, вырастают в несколько раз и энергично схлопываются. Схлопыванием таких пузырьков могут быть обусловлены высокие температуры и давления, а также преобразование энергии ультразвука в излучение света или химические реакции. На пылинках и частицах примесей, содержащихся в жидкостях, могут существовать микротрещины. Избыточное давление внутри частичек, задаваемое радиусом частичек и коэффициент поверхностного натяжения, мало, но под действием звука достаточно высокой интенсивности газ может накачиваться в них, и полости могут расти. Было показано, что интенсивность звука, необходимая для получения кавитации, заметно повышается при увеличении чистоты жидкости. Малые пузырьки могут расти вследствие процесса, называемого выпрямленной, или направленной, диффузией. Объяснение этого явления состоит в том, что за период акустического поля газ поочередно диффундирует в пузырек во время фазы разряжения и из пузырька во время фазы сжатия. Так как поверхность пузырька в фазе разряжения максимальна, суммарный поток газа направлен внутрь пузырька, поэтому пузырек растет. Чтобы пузырек рос за счет выпрямленной диффузии, амплитуда акустического давления должна превысить пороговое значение. Порог выпрямленной диффузии и определяет порог кавитации.
|
|
Явление кавитации связано с тем, что жидкости "легко" переносят огромные всесторонние сжатия, но чрезвычайно чувствительны к растягивающим усилиям. При прохождении фазы ультразвуковой волны, создающей разряжение, жидкость разрывается и в ней образуется большое количество разрывов, в которые устремляются растворенные в жидкости газы и пар. Эти мельчайшие пузырьки (размером менее 0,1 мм), называемые кавитационными, образуются обычно в местах, где прочность жидкости ослаблена. Такими местами являются маленькие пузырьки нерастворенного газа, частички посторонних примесей, границ раздела жидкость - жидкость, жидкость - твердое тело и др. Кавитационные пузырьки совершают пульсирующие колебания, вокруг них образуются сильные микропотоки, приводящие к активной локальной турбулизации среды.
После кратковременного существования часть пузырьков захлопывается. При этом наблюдаются локальные мгновенные давления, достигающие сотен и тысяч атмосфер. При захлопывании кавитационных пузырьков наблюдаются также локальные повышения температуры и электрические разряды. Проведенные исследования показали, что воздействие ультразвуковых колебаний на различные среды обусловлено эффектами кавитации, ультразвукового ветра и ультразвукового давления, причем максимальное воздействие обусловлено ультразвуковой кавитацией. Практически все физико-химические и технологические процессы протекают на границе раздела (межфазной поверхности), где молекулы различных веществ соприкасаются друг с другом. При этом любой процесс можно представить в виде трех последовательных стадий:
|
|
1. Приближение молекул двух или нескольких взаимодействующих веществ друг к другу и их столкновение.
2.Сам процесс взаимодействия молекул.
3.Удаление продуктов реакции из зоны взаимодействия
Сонолюминесценция в медицине
Сонолюминесценцией (буквально, «свечением, порожденным звуком », СЛ) называют красивое физическое явление: если в воде сфокусировать достаточно мощную ультразвуковую волну, то в центре появляется яркий, точечный источник голубоватого света. Несмотря на то что само явление свечения при пропускании сильной звуковой волны известно уже 70 лет, долгое время оно ставило ученых в тупик. Было ясно, что промежуточным звеном между звуком и светом является процесс кавитации: сфокусированная звуковая волна в фазе разрежения как бы «разрывает» воду, создает пузырек, который затем моментально схлопывается под действием той же звуковой волны в фазе сжатия. Именно в последнее мгновение своего коллапса этот кавитационный пузырек и испускает короткую вспышку света. При стабильной звуковой волне рождение и коллапс пузырька происходят в одном и том же месте тысячи раз в секунду, порождая яркое стабильное свечение.
В свете последних экспериментов можно считать установленным, что СЛ излучение имеет тепловую природу. Излучает свет небольшое облачко плазмы, которая на короткое время зажигается в центре схлопывающегося пузырька. Опытные данные свидетельствуют, что температура плазмы в случае однопузырьковой СЛ составляет десятки тысяч градусов. Поэтому возникает первый вопрос: как достигается такая высокая температура? Казалось бы, ответ таков: пузырек сжимается достаточно быстро, и находящийся внутри него газ от этого квази-адиабатического сжатия нагревается. Однако не все так просто. Находящийся внутри пузырька газ сжать и нагреть не так-то легко. Стенки пузырька не есть что-то совсем непроницаемое. Действительно, водяной пар просто начнет конденсироваться на стенки пузырька, а присутствующий в пузырьке благородный газ будет диффундировать наружу. Не надо забывать и про обычный теплоотвод за счет теплопроводности. Кроме того, начинающиеся при высоких температурах эндотермические реакции также могут очень эффективно поглощать тепло.
В результате простым сжатием пузырька температуру в сто раз не поднимешь. Скорость схлопывания пузырька на последнем этапе, как мы помним, равна 1-1.5 км/сек, а это в 3-4 раза больше скорости звука в газовой смеси внутри пузырька! Но известно, что сверхзвуковое движение порождает ударные волны, так что в результате, начиная с некоторого момента, внутри пузырька возникает схлопывающаяся ударная волна. А из гидродинамики известно, что ударная волна нагревает среду гораздо эффективнее: при переходе через фронт ударной волны вещество нагревается в M2 раз, где М — число Маха. Но и это еще не все. После того, как ударная волна достигнет центра, она "отразится", и начнет распространяться наружу. В результате, через данную точку вещества ударная волна проходит дважды, и в обоих случаях будет происходить значительное, в несколько раз, увеличение температуры.
|
|
Рис. 5. Сонолюминесценция - яркий голубоватый свет, возникающий в емкости с водой при фокусировании ультразвуковой волны.
Еще до окончательного прояснения природы сонолюминесценции ученые научились использовать ее для проведения химических реакций в экстремальных условиях схлопывающегося пузырька: так возникла сонохимия. В принципе, ультразвук может порождать химические реакции и непосредственно без свечения, однако в ряде случаев сонолюминесцентный свет играет ключевую роль. Одно из таких направлений — изучение экзотических химических реакций, идущих лишь при высоких температурах. Действительно, вместо того чтобы конструировать специальную печь с высокими температурами и не менее высокими требованиями к ее безопасности, достаточно лишь растворить реагенты в воде и... включить звук. Кавитация всё сделает сама: сконцентрирует энергию звука в микроскопическом объеме, нагреет его до необходимой температуры и проведет химическую реакцию в течение заданного времени. Ученому потребуется лишь вооружиться спектрометром и извлечь из сонолюминесцентного свечения всю необходимую ему информацию. Сонолюминесценция одновременно выступает в роли катализатора реакции, которая не идет сама по себе, и измеряющего ее прибора.
Наконец, в недалеком будущем сонолюминесценция может найти применения и в медицине. Современная медицина уже взяла на вооружение многие открытия физики XX века. Лазерная микрохирургия, резонансная ядерная томография, адаптация детекторов элементарных частиц для флюорографии, лечение злокачественных образований пучками высокоэнергетических протонов — всё это уже есть в арсенале медиков. Почти наверняка в этом списке найдется место и сонолюминесценции. В принципе, сонолюминесценция уже используется как метод визуализации кавитации, в том числе и в медицинских приложениях. Известно, например, что кавитация является важным фактором, приводящим к деградации искусственных органов, испытывающих импульсные механические нагрузки.