聲致空化簡(jiǎn)介

嚴(yán)導(dǎo)淦

（同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092）

強(qiáng)聲波尤其是超聲波通過(guò)液體介質(zhì)時(shí)，產(chǎn)生一種極為重要的空化作用.實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)液體中有超聲波在作用時(shí)，液體中往往出現(xiàn)大量可見(jiàn)的氣泡，這僅是超聲的去氣效應(yīng)，而并非真正的空化作用.當(dāng)聲強(qiáng)增大時(shí)，液體中涌現(xiàn)霧流，這是由一些肉眼難以觀(guān)察的含氣空穴所組成的.當(dāng)聲強(qiáng)再增大時(shí)，又會(huì)出現(xiàn)一種新的現(xiàn)象，會(huì)聽(tīng)到小的爆裂聲，暗室內(nèi)還可以看到發(fā)光現(xiàn)象，這是由于極小的含有稀薄蒸氣的空穴的崩潰所引起的，上述兩種現(xiàn)象統(tǒng)稱(chēng)為聲致空化現(xiàn)象.

我們知道，液體是能承受壓縮的，但經(jīng)受不起拉伸.當(dāng)超聲波通過(guò)液體介質(zhì)時(shí)，使液體介質(zhì)不斷受到壓縮和拉伸.如果拉力足以破壞分子的內(nèi)聚力，液體就會(huì)斷裂而形成幾乎真空的空穴；而到壓縮階段，這空穴發(fā)生崩潰.崩潰時(shí)，空穴內(nèi)部壓強(qiáng)可達(dá)幾萬(wàn)個(gè)大氣壓，空穴附近則形成強(qiáng)烈的沖擊波，其壓強(qiáng)最大可達(dá)幾千大氣壓，同時(shí)，由于液體的破裂和壓強(qiáng)的突變，產(chǎn)生了局部高溫，并引起電離，因之還有放電、發(fā)光等現(xiàn)象出現(xiàn).這就是空化作用.

聲致空化的產(chǎn)生有賴(lài)于液體中有小氣泡的存在.事實(shí)上，液體內(nèi)部總有大量的極微小的固體懸浮粒子吸附著少量的氣體或蒸氣；液、固邊界面處的小裂縫內(nèi)也可停留住少量微小的氣泡，這些固體懸浮粒子或固體邊界面處的殘留氣泡通常稱(chēng)為空化核.如果是理想的純液體，則使液體破裂的拉應(yīng)力是很大的，相應(yīng)的壓強(qiáng)需達(dá)103大氣壓的數(shù)量級(jí)；而在空化核處由于存在著液體結(jié)構(gòu)的弱點(diǎn)，僅需較小的拉應(yīng)力就可破裂.隨著空化核的性質(zhì)、液體介質(zhì)的性質(zhì)、超聲的頻率以及靜壓、溫度等等因素的不同，使液體破裂的最小應(yīng)力，其壓強(qiáng)約自十分之幾大氣壓直至上百個(gè)大氣壓.超聲波聲壓的負(fù)值超出靜壓的數(shù)值足夠提供這個(gè)拉應(yīng)力，因此，就可以使液體斷裂而形成空穴，由于空化核的存在，這樣形成的空穴中總是含有少量的氣體或蒸氣，內(nèi)部不可能是完全真空的，空化發(fā)光的光譜可證明就是這些氣體或蒸氣在發(fā)光.

相應(yīng)于每一個(gè)超聲頻率，這些含氣或蒸氣的氣泡，存在著一個(gè)能與之發(fā)生共振的氣泡半徑R0.按照氣泡的彈性振動(dòng)理論可知，其本征頻率為［1］

于是，式（1）可寫(xiě)成

由此可以求出與超聲頻率共振的氣泡半徑R0為

根據(jù)式（5）計(jì)算，在水中與頻率為1MHz的超聲波共振的氣泡半徑R0約為幾個(gè)微米，而20kHz時(shí)的R0約為幾十微米.

只有原始尺寸小于R0的空化核才能在拉伸階段達(dá)到共振半徑而強(qiáng)烈振蕩，再在壓縮階段由于體積突然減小而發(fā)生崩潰.

由于頻率越高時(shí)，相應(yīng)的R0越小，能夠發(fā)生崩潰的空穴數(shù)目亦隨之減少.因此，要產(chǎn)生高頻的空化也較難.但理論上可以證明，原始尺寸越小的空穴，崩潰時(shí)的激烈程度越大，這又是高頻時(shí)的空化的特殊優(yōu)點(diǎn).如果從獲得空化的經(jīng)濟(jì)效果來(lái)看，則顯然用低頻比較適宜，但為了避免強(qiáng)烈的振耳的聲音起見(jiàn)，一般用15 000Hz以上的頻率.我們把普通水在室溫時(shí)各種頻率所需產(chǎn)生空化作用的最小 聲 強(qiáng)，稱(chēng) 為 空 化 閾［2］.實(shí) 驗(yàn) 表 明，頻 率 在5MHz時(shí)，空化閾的聲強(qiáng)將幾乎達(dá)到105W/cm2，聲壓將達(dá)到上百個(gè)大氣壓，頗不經(jīng)濟(jì).因此，一般在超聲處理應(yīng)用中利用空化作用時(shí)，頻率的上限約為1MHz左右.

研究指出，當(dāng)脈沖超聲波通過(guò)液體時(shí)，脈沖的持續(xù)時(shí)間越短，空化閾就越大；而當(dāng)連續(xù)超聲波通過(guò)液體時(shí)，空化閾就越小.這是由于空穴的成長(zhǎng)和崩潰都需要有一定的時(shí)間.

當(dāng)超聲波在液體介質(zhì)中產(chǎn)生空化作用時(shí)，由于空化氣泡的存在，將使聲能的散射和吸收大大增加，而降低了傳聲性能，因此在傳遞聲能的場(chǎng)合，例如在超聲檢測(cè)應(yīng)用中，就要求設(shè)法避免空化作用的產(chǎn)生.

在空化作用中，當(dāng)空穴崩潰時(shí)，空穴附近的液體中所受到的作用，主要是以空穴為中心輻射出來(lái)的沖擊波.沖擊波的壓強(qiáng)可達(dá)上千個(gè)大氣壓，這就大大增強(qiáng)了超聲的機(jī)械作用，所有超聲的擊碎、攪拌、混合、乳化、擴(kuò)散、滲透等等的效應(yīng)只要是在液體中進(jìn)行時(shí)，都因空化作用的存在而效果顯著提高.此外，在氣泡共振以后直到崩潰為止，由于液體的破裂，氣泡內(nèi)部壓強(qiáng)的突變，如前所述，還會(huì)引起電離、發(fā)光、局部高壓高溫等現(xiàn)象，這將促進(jìn)大量的化學(xué)反應(yīng).

空化作用對(duì)液體中的超聲凝聚則有顯著的破壞作用，因此液體中超聲凝聚技術(shù)往往利用駐波，而且用較高的頻率，使得超聲雖然很強(qiáng)而空化卻不發(fā)生.

空化作用是液體介質(zhì)中的特殊現(xiàn)象，由于空化作用的效果顯著，使得液體中的超聲處理技術(shù)卓有成效.

［1］金澤里，札葉茲德尼.聲學(xué)基礎(chǔ).第三章［M］.北京：高等教育出版社，1955.

［2］Bergmann，L..Der ultraschall und seine anwendung in wissenschaft und technik.1966：JW Edwards.

［3］實(shí)吉純一，菊池喜充，能本乙彥，等.超聲波技術(shù)便覽［M］.日刊工業(yè)新聞社，1960.