Повна версія

Головна arrow Медицина arrow УЛЬТРАЗВУК В МЕДИЦИНІ, ВЕТЕРИНАРІЇ, БІОЛОГІЇ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   ЗМІСТ   >>

УЛЬТРАЗВУКОВА КАВІТАЦІЯ

Ультразвукова кавітація - виникнення в рідини, що опромінюється ультразвуком, пульсуючих і закриваються бульбашок, заповнених паром, газом або їх сумішшю.

Бульбашки кавітацій в розповсюджується в рідини ультразвуковий хвилі виникають і розширюються під час полуперіо- дов розрідження і стискаються після переходу в область підвищеного тиску.

В ідеальних однорідних рідинах бульбашки можуть виникнути лише при дуже високих розтягуючих зусиллях (негативних тисках), що перевершують міцність рідини.

Міцність реальних рідин досить низька через те, що в них завжди досить багато зародків кавітації - мікропухирців газу, порошинок гідрофобних частинок і т. Д. Можливо також, що зародки кавітації безперервно виникають при проходженні через рідину космічних частинок, а потім знову розчиняються. Бульбашки газу з діаметром 10 ~ 5 см, по-видимому, можуть як завгодно перебувати у воді, якщо їх поверхня стабілізована органічними забрудненнями, зазвичай присутніми в «чистої» воді.

Крім того, передбачається, що мікропухирці газу, навіть не стабілізовані органікою, в принципі, не можуть розчинитися через особливості структури води в міжфазному шарі рідина - газ, який обмежує бульбашка.

Порогом кавітації називається інтенсивність ультразвуку, нижче якої не спостерігаються кавитационні явища.

Поріг кавітації залежить від параметрів, що характеризують як ультразвук, так і саму рідину.

Для води і водних розчинів пороги кавітації зростають зі збільшенням частоти ультразвуку і зменшенням часу впливу.

При імпульсному ультразвуковому впливі поріг залежить від тривалості імпульсу і досягає максимуму при 0,06 ... 0,6 мкс. Поріг кавітації підвищується і при зменшенні об'єму рідини, так як, чим менше обсяг, тим менше в ньому зародків кавітації. Цим, очевидно, і пояснюються високі значення порогів для фокусированного ультразвуку. Мікронеоднорідності у вигляді пилинок, мікроорганізмів, молекул розчиненого газу або іонів знижують поріг кавітації в рідкому середовищі.

При інтенсивності ультразвуку, не набагато перевищують поріг кавітації, мікропухирці газу в рідині пульсують щодо рівноважного радіусу і поступово збільшуються в обсязі.

При розширенні бульбашок-зародків, що потрапляють в область зниженого тиску, в пляшечку випаровується рідина і дифундує розчинений у рідині газ. Якщо температура рідини значно нижче точки кипіння, то бульбашки ростуть головним чином в результаті дифузії.

При підвищенні тиску в наступну половину періоду коливання бульбашка стискається, напрямок дифузії змінюється, і молекули дифундують із пляшечки в рідину. Кількість продіффундіро- вавшего газу пропорційно площі поверхні бульбашки. Ця площа в стадії стиснення менше, ніж в стадії розширення. Тому кількість газу, що потрапляє в пляшечку при розширенні, дещо більше кількості газу, що виходить із пляшечки при його стисненні. Тому після кожного циклу стиснення-розтягування в бульбашці залишається надлишок газу.

Накопичення газу в бульбашці, що обумовлює зростання середнього розміру бульбашки в поле змінного тиску, називається випрямленою, або спрямованої, дифузією.

Дифузійний механізм забезпечує порівняно повільне зростання зародків, і при високій частоті ультразвуку вони встигають зробити значне число пульсацій, перш ніж досягнуть резонансних розмірів. Амплітуда пульсації бульбашки з резонансними розмірами (для даної частоти ультразвуку) буде максимальною.

Розмір резонансної порожнини в воді для частоти ультразвуку в діапазоні 500 ... 1000 кГц можна розрахувати за формулою

де /? РСЗ - резонансний радіус бульбашки, мкм;

/ - частота ультразвуку, кГц.

Для частот, що перевищують 1 МГц, значення R ^ в зв'язку зі зростаючою роллю поверхневого натягу виявляються трохи вище, ніж обчислені за наведеною формулою.

Так, при частотах 1, 5 і 10 МГц у воді R ^ дорівнює 3,6; 0,95 і 0,56 мкм відповідно, в той час як, розраховуючи за формулою, отримуємо величини, рівні 3,0; 0,6 і 0,3 мкм.

Необхідно відзначити, що на частотах, що перевищують 1 МГц, резонансні ефекти проявляються слабше, ніж в діапазоні більш низьких частот.

Коливальна швидкість стінки бульбашки, розміри якого близькі до резонансного, може набагато перевищувати колебательную швидкість частинок в ультразвукової хвилі, що дозволило назвати кавитационні бульбашки підсилювачами швидкості.

Якщо ультразвукове поле неоднорідне, то бульбашки не тільки пульсують, а й рухаються поступально.

У стоячій хвилі, наприклад, бульбашки рухаються до пучностям тиску, якщо їх розміри менше резонансного, і до вузлів тиску, якщо вони перевищують за розміром резонансні бульбашки. Нерідко пухирці в ультразвуковому полі осцилюють - коливаються біля деякого положення рівноваги.

Пульсуючі протягом багатьох періодів бульбашки називаються стабільними порожнинами, а саме явище, пов'язане з існуванням в рідини таких бульбашок, - стабільною кавітацією.

Підвищення інтенсивності ультразвуку призводить до нестабільної кавітації: бульбашки досить швидко (за кілька періодів) досягають резонансного розміру, стрімко розширюються, після чого різко закриваються.

Передбачається, що при закритті міститься в бульбашці парогазова суміш, адиабатически (не встигаючи обмінятися теплом з навколишнім середовищем) стискається до тиску 10 5 Па (300 атм) і нагрівається до температур близько 8000 ... 12000 К. Відомо, що вже при 2000 К близько 0,01% молекул НДО усередині бульбашки диссоциируют на водневі Н і гідроксильні ОН вільні радикали. Ці радикали можуть рекомбінувати з утворенням електронно-збуджених станів молекул НДО *:

При переході молекул НДО * з електронно-збудженого стану в основний висвічується квант світла - відбувається сонолюминесценция.

Вільні Н і ОН радикали можуть дифундувати в розчин і вступати в реакції з розчинником або розчиненими речовинами, ініціюючи радикальні хімічні процеси.

Закриваються кавитационні бульбашки породжують в рідині потужні імпульси тиску і ударні хвилі.

Кавітація в рідини супроводжується різними явищами:

  • - характерним шумом у всьому діапазоні частот і сильним акустичним сигналом на частоті, яка дорівнює половині частоти ультразвуку, який викликав кавітацію;
  • - прискоренням одних хімічних реакцій і ініціюванням інших;
  • - інтенсивними МІКРОПОТОК і ударними хвилями, здатними перемішувати шари рідини і руйнувати поверхні межують з кавітуючій рідиною твердих тіл;
  • - ультразвуковим світінням а також різними біологічними ефектами.

Внаслідок концентрування енергії в дуже малих обсягах ультразвук може викликати такі явища, як розрив хімічних зв'язків макромолекул, ініціювання хімічних реакцій, ерозію поверхонь твердих тіл і світіння.

 
<<   ЗМІСТ   >>