ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Кавитация из "Звуковые и ультразвуковые волны Издание 3 " Явление кавитации весьма распространено при движении жидкостей и состоит в образовании в жидкости разрывов или полостей, заполненных паром жидкости и газом (растворенным в ней), которые, захлопываясь, создают большие местные ударные давления, достигающие значений в тысячи атмосфер. Так, кавитация возникает, например, при вращении корабельных винтов, лопаток гидротурбин, при протекании быстрых потоков жидкости через сужение в трубах, и т. д. Кавитация имеет важное значение в технике, играя в одних случаях вредную и в других — полезную роль. Ударные импульсы давления при захлопывании кавитационных пузырьков в силу больших значений давления приводят к эрозии металла — при неправильно рассчитанных корабельных винтах и лопатках турбин, когда явление кавитации сильно выражено, поверхность металла разрушается и изделие выходит из строя. О полезной роли кавитации мы скажем ниже. [c.399] Явление, аналогичное кавитации, возникает также в следующем эксперименте, проделанном И. Г. Полоцким. Если через тонкую стеклянную трубку пропускать водяной пар в холодную воду, то пар, находящийся в пузырьках, попадая в холодную воду, конденсируется и пузырьки быстро захлопываются. [c.399] Распространение интенсивных звуковых и ультразвуковых волн в жидкостях также сопровождается кавитацией такую кавитацию называют ультразвуковой кавитацией, хотя она не хуже возникает и при звуковых частотах. [c.399] например, если пузырек сжимается в 20 раз и рд = 1 атм, то р — 1260 атм. [c.401] Возникновение кавитации можно наблюдать визуально по появлению туманного облачка пузырьков в ультразвуковом поле. Если в ультразвуковом поле измерения проводить малоинерционным пьезоэлектрическим приемником, то возникновение кавитации сопровождается резким и нерегулярным изменением амплитуды принимаемого сигнала. На ультразвуковых частотах при больших интенсивностях возникновение кавитации сопровождается шипением, напоминающим шум закипающего чайника. Связано это с тем, что захлопывание кавитационных полостей создает интенсивный шум. Кроме непрерывного (белого) шума, простирающегося до слышимых звуковых частот, в спектре кавитационного шума есть отдельные спектральные линии, соответствующие основной частоте, ее гармоникам и субгармоникам. Отметим, что по уровню кавитационного шума можно судить об интенсивности кавитации. [c.402] Появление кавитации вызывает различные эффекты. Приведем некоторые примеры, где кавитация, по-видимому, играет основную роль. В последнее время интенсивные ультразвуковые колебания находят широкое применение для воздействия на различные биологические объекты. В частности, воздействие ультразвука приводит к частичной, а в некоторых случаях к полной дезактивации различных микроорганизмов. Ударные импульсы давления, образующиеся при захлопывании пузырьков, действуют разрушительным образом на бактерии. Это биологическое действие ультразвука применяется в медицине, например, для стерилизации резервуаров с пресной водой, а также для других целей. Воздействие ультразвука на туберкулезные палочки, стрептококки, стафилококки приводит к уменьшению активности этих микроорганизмов. [c.402] Воздействие кавитации на поверхность металлов приводит к эрозии (отделению маленьких кусочков) металла. [c.402] Это явление, вредное в некоторых случаях (например, порча гребных винтов), может быть использовано для получения дисперсной суспензии металла в жидкости. [c.403] Эмульгирование под действием ультразвука также, повидимому, связано с кавитационным действием. Эмульсия представляет собой взвесь мельчайших частиц одной жидкости в другой жидкости, причем сами по себе эти жидкости не растворяются одна в другой, например молоко — эмульсия жира в воде (такие дисперсные системы называют гидрозолями). [c.403] Для приготовления эмульсии, например бензола в воде, обычно пользуются методом перемешивания (встряхивания) бензола и воды. Но при таком способе не удается получить капли бензола размерами меньше 4—5 микрон во всяком случае более мелких зерен получается очень мало. Оказывается, что при помош,и ультразвука достаточной интенсивности можно получить мелкозернистую и более однородную эмульсию ультразвуковые колебания раздробляют крупные капли эмульсии. Основной причиной такого диспергирующего действия ультразвука является кавитация. При помощи дробящего действия ультразвука удается получить чрезвычайно мелкозернистые фоточувствительные слои, что создает возможность большого увеличения фотоизображений с фотопластинок и фотопленок, покрытых обработанной ультразвуком эмульсией. [c.403] Кроме дробящего действия ультразвуковых волн, в ряде случаев наблюдается обратное действие ультразвука на мелкие частицы. Так, например, мелкие частицы дыма или капли тумана, приходя в колебание под действием ультразвука достаточной интенсивности и сталкиваясь друг с другом, слипаются между собой, образуя более крупные частицы это явление носит название коагуляции аэрозолей (аэрозолями называются газы, в которых взвешены мелкие жидкие или твердые частицы). [c.404] Одной из причин различного действия ультразвука на гидрозоли (диспергирование) и аэрозоли (коагуляция) является отсутствие в газах кавитации, приводящей к дроблению зерен эмульсии. [c.404] Хорошо известно, что если в стеклянную трубку насыпать небольшое количество ликоподия или мелких кусочков пробки (пробковой пыли), то при возбуждении в такой трубке звуковых волн достаточно высоких частот (10 кгц и более) ликоподий или пробковая пыль концентрируется в узлах давления. Трубка для демонстрации такого явления с поршнем, меняющим длину воздушного столба, называется трубкой Кундта. Зная частоту звука и измерив половину длины волны по расстоянию между двумя соседними сгущениями частиц, легко определить скорость звука. Вместо твердых мелких частиц можно наполнить трубку дымом тогда дым также будет концентрироваться в узлах звукового давления. [c.404] Осциллограмма б снята через 35 сек после начала излучения. [c.405] Эти явления, по-видимому, вызываются кавитационными процессами. Так, асимметрия формы кривой может быть объяснена тем, что в полупериод разрежения благодаря образованию кавитации, имеют место большие потери в волне, что приводит к своеобразному акустическому детектированию. Срезание нижнего зубца пилы происходит при избыточном давлении, составляющем примерно две атмосферы. Эта величина приблизительно соответствует прочности на разрыв богатой газом воды, какой является водопроводная вода. Уменьшение амплитуды волны со временем и ее нестабильность, также, по-видимому, могут быть объяснены постепенным развитием кавитации. [c.406] Отметим, что в дистиллированной воде происходят в основном те же явления, что и описанные выше, только в несколько более слабой форме, и для их развития требуется больше времени. [c.406] Таким образом, кроме искажения формы ультразвуковой волны, вызванного нелинейностью уравнения движения и уравнения состояния имеется еще один вид искажения — искажение, возникающее из-за кавитации. Такой вид искажения должен приводить к добавочному затуханию ультразвуковой волны, однако этот вопрос еще не исследован. Заметим, что в тех случаях, когда необходимо не допустить возникновения кавитации при распространении в жидкости интенсивных ультразвуковых волн (например, при различных измерениях), можно приложить к жидкости (если это конструктивно возможно) противодавление. Оно должно быть, естественно, больше, чем избыточное давление в ультразвуковой волне. [c.406] Вернуться к основной статье