ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Кавитационная область и пороги кавитации из "Введение в физическую акустику " Рассмотрим поведение газовых пузырьков различных радиусов при различных амплитудах звукового поля. Для этого построим график зависимости порога роста пузырьков р от R (см. [c.155] Показать, что распределение пузурькоб по размерам обратно пропорционально скорости роста пузырьков n(R) l/R [341. Таким образом, в кавитационной области мало или совсем нет резонансных пузырьков, что подтверждается экспериментом [35]. На рис. 6.8 даны распределения пузырьков по значениям радиусов в воде, полученные экспериментально при колебаниях ультразвукового концентратора на частоте 22 кГц. Проводилось фотографирование и дальнейшая статистическая обработка с использование микроскопа. [c.156] Как видно из рис. 6.8, на резонансной частоте заметен провал в функции распределения п(Я), т. е. имеется просветление кавитационной области резонансные пузырьки быстро уходят из области резонансных размеров. Отметим, что одновременно и независимо такой же результат был получен в [36]. Авторы этой работы эффект просветления объясняют иначе, считая, что здесь определяюш,ую роль играет коагуляция пузырьков, вызываемая силами Бьеркнеса, хотя, как мы знаем из гл. 5, силы Бьеркнеса не всегда приводят к эффекту слипания пузырьков. [c.156] Кривая 3 на рис. 6.7 обозначает предел применимости указанных аналитических решений. При этих амплитудах пульсации пузырька соизмеримы с его размером пузырьки существуют только один-два периода звука и разрушаются, образуя новые зародыши кавитации и производя физико-химические эффекты, сопровождающие кавитацию. Примеры поведения пузырьков при таких амплитудах были приведены на рис. 6.1 эти решения полной системы уравнений получены численными методами. [c.157] Численными методами можно исследовать сильно нелинейные явления в кавитационной области, например излучение кавитационного шума. Спектр этого шума состоит из дискретных гармонических и субгармонических составляющих и белого шума. Одним из механизмов излучения гармонических составляющих является возбуждение собственных пульсаций пузырька при совпадении частоты его резонанса с гармониками основного тона /р=п/, где /р — резонансная частота пузырька, f — частота звука, возбуждающего кавитацию, п=1, 2, 3,. .. [c.157] Пример возбуждения собственных пульсаций был нами дан на рис. 6.4, относящемся к динамике парового пузырька в жидком азоте. Вторым источником гармоник являются импульсы высокого давления, излучаемые при сферическом и несферическом коллапсе пузырька, дающие сплошной спектр кавитационного шума [34, 37]. Гармонические компоненты возникают вследствие того, что импульсы высокого давления возникают периодически сплошная часть спектра обусловлена разбросом моментов захлопывания пузырька в течение фазы сжатия звука. Вклад в сплошную часть спектра дает также излучение на собственных частотах пульсаций вновь образующихся пузырьков при несимметричном коллапсе. В спектре кавитационного шума обращает на себя внимание присутствие субгармонических составляющих на частотах п/р/2, п/р/3,.. . Механизм их излучения до сих пор до конца не выяснен субгармонические компоненты эффективно используются в эксперименте как индикаторы акустической кавитации. [c.157] Нелинейные пульсации пузырька приводят также к различным физико-химическим явлениям. Одно из них — кавитационная эрозия. Она возникает вследствие различных механизмов. Первый — это воздействие кумулятивных струек, возникающих при асимметричном коллапсе пузырьков рядом с твердой поверхностью, о чем шла речь в 4. Эти струйки направлены к твердой поверхности, в которой возникает зеркальное отображение пузырька, пульсирующее синфазно с исходным. Второй механизм — это скоростной напор пузырька, а точнее жидкости, окружающей поступательно движущийся по направлению к стенке пузырек. При захлопывании присоединенная масса пузырька (можно показать, что для поступательного движения она равна половине массы жидкости в объеме пузырька) резко уменьшается, и из-за сохранения импульса скорость увеличивается. При уменьшении радиуса в 10 раз скорость увеличивается в 1000 раз и достигает 300 м/с. Скоростной напор дается выражением р=ро /2 10 Па, и это воздействие имеет длительность 0,1 Т, где Т — период звука. Третий механизм эрозии обусловлен вязкими силами, вызывающими сдвиговые напряжения в металле и возникающими вследствие растекания жидкости, вытесняемой из пространства между твердой поверхностью и стенкой расширяющегося пузырька. Напряжения, которые при этом возникают, 10 Па и длятся они 0,5 Т. Как известно, прочность конструкционных материалов по отношению к сдвиговым напряжениям на порядок меньше, чем к напряжениям сжатия. Еще один эрозионный механизм обусловлен ударными волнами, возникающими в окружающей пузырек жидкости при его захлопывании, их амплитуда 10 Па [4]. [c.158] Когда поверхность шероховата, и в ней уже возникли каверны или лунки, эрозия резко усиливается. Возникает еще один механизм эрозии, обусловленный расширением пузырьков, попавших в эти лунки. Расширением пузырьков, попавших в трещины покрытий и загрязнений или в места отслоений покрытий, обусловлена высокая эффективность ультразвуковой очистки. [c.158] Эффективным методом увеличения кавитационной эрозии является повышение статического давления в жидкости. Поскольку максимальная амплитуда звука в кавитационной области, редко превышает (0,4—0,6) ро, то повышение статического давления позволяет увеличить амплитуду звука, действующего на пузырек, и, следовательно, существенно увеличить скорость захлопывания пузырьков. Повышение статического давления до 5—10 атм приводит к увеличению скорости эрозии на 2—3 порядка. [c.158] Такие же механизмы действуют и при воздействии мощного ультразвука на живые организмы. При возникновении кавитации (а порог кавитации для мягких тканей близок к порогу кавитации воды) в живой ткани происходят разрывы и разрушения. Это открывает возможность с помощью фокусированного ультразвука воздействовать на глубинные структуры организма, например опухоли, не производя хирургических вмешательств [40, 41]. [c.159] Высокие давления и температуры, возникающие внутри захлопывающегося пузырька, вызывают в пузырьке ионизацию газа и образование свободных радикалов, инициируя химические реакции, идущие обычно при высокой температуре. Нагрев газа ведет к его свечению кавитация ответственна за сонолюминесценцию — свечение кавитационной области, что также может служить для целей индикации кавитации. [c.159] Остановимся теперь на вопросе о зародышах кавитации. Чистая жидкость имеет порог кавитации (теоретически [42]) 10 Па. Зародыши в ней могут возникать только вследствие гетерофазных флуктуаций. Но реально кавитационная прочность жидкостей, в том числе и воды, редко превышает 10 Па, что означает, что в жидкости присутствуют достаточно крупные стабильные пузырьки газа. Общепринятой гипотезой, объясняющей их возникновение и длительное существование, является следующая. В очищенной воде, дегазированной и профильтрованной, количество пузырьков ничтожно мало, и ее прочность может достигать около 3-10 Па [33]. Под действием космического излучения молекулы воды распадаются, образуя водород и кислород, которые растворяются в воде. Через некоторое время их концентрация возрастает до такой степени, что из-за флуктуаций могут образоваться пузырьки размерами 2 10 см. На поверхность этих пузырьков попадают молекулы поверхностно активных веществ, которые всегда, хотя и в малом количестве, присутствуют в жидкости. Мономолекулярный слой таких веществ на поверхности пузырька полностью останавливает диффузию газа из пузырька в жидкость, и даже в жидкости, где концентрация растворенного газа намного меньше насыщенной, такой пузырек будет жить длительное время. Броуновское движение пузырьков приводит к их столкновению и слиянию. Таким образом, возникают более крупные пузырьки, которые и обусловливают реальную кавитационную прочность жидкости. Зародышами кавитации могут служить и твердые несмачиваемые частички, а также газовые включения в трещинах и порах твердых поверхностей. В некоторых жидкостях, например в жидком гелии и водороде, зародышами кавитации являются паровые пузырьки, возникающие либо на теплых поверхностях вследствие локального вскипания, либо на треках пролета ионизующих частиц космического излучения. Это открывает возможности применить акустическую кавитацию для регистрации ионизующего излучения [29]. [c.159] Подробные сведения о последних работах в области акустической кавитации в различных ее аспектах можно почерпнуть в [43, 44]. [c.160] Вернуться к основной статье