Акустическая кавитация

Акусти́ческая кавита́ция, возникновение в жидкости пузырьков, заполненных газом, паром и/или их смесью, под действием акустических волн. Кавитационные пузырьки образуются в жидкости в фазе разрежения акустической волны, если амплитуда звукового давления превосходит некоторое критическое значение, называемое порогом кавитации. Разрыв сплошности при акустической кавитации возможен лишь в тщательно дегазированных, очищенных жидкостях и при весьма высоких интенсивностях ультразвука. Гораздо более вероятен рост уже имеющихся микропузырьков и других неоднородностей в жидкости – т. н. кавитационных зародышей. Поведение кавитационных пузырьков характеризуется пульсацией, осцилляцией, ростом, расщеплением и т. п. В акустических полях ультразвуковой частоты кавитационные пузырьки весьма малы (${\displaystyle 10^{-1}-10^{-4}\,{\text{см}}}$); в мощных акустических полях низких частот (${\displaystyle 10-200\,{\text{Гц}}}$) размер кавитационных пузырьков может достигать ${\displaystyle 1-2\,{\text{см}}}$.

После включения УЗ-поля происходит рост числа кавитационных пузырьков и за доли секунды устанавливается стационарный процесс многопузырьковой кавитации с постоянным числом пузырьков (т. н. развитая кавитация). При этом происходит деформация пузырьков, их дробление, группировка с образованием областей сложной, изменчивой формы. Такие «кавитационные облака» вблизи поверхностей излучателей ограничивают интенсивность их излучения. В кавитационном поле возникают мощные гидродинамические возмущения: образуются микропотоки, вызывающие интенсивное перемешивание жидкости; в фазе сжатия возникают микроударные волны, способные разрушать весьма прочные материалы.

Широкое распространение получила тепловая теория кавитационных явлений, согласно которой кавитационный пузырёк пульсирует, всасывает некоторое количество газа, а затем схлопывается. При сжатии кавитационных пузырьков с большой скоростью происходит локальный разогрев до высоких температур; т. о. могут объясняться многие физико-химические явления, вызванные акустической кавитацией. Однако исследования показали, что в многопузырьковом кавитационном поле значительную роль играют взаимодействие и деформация кавитационных пузырьков, а также их поступательное движение. С учётом этих эффектов максимально достижимая температура в реальных кавитационных пузырьках не превышает ${\displaystyle 700^{\circ }{\text{С}}}$, т. е. оказывается существенно ниже, чем требует тепловая теория. Тепловая теория не может объяснить многие экспериментальные факты: звуколюминесценцию и сонохимические реакции при низких интенсивностях ультразвука (порядка ${\displaystyle 10^{-3}\,{\text{Вт}}/{\text{см}}^{2}}$), звуколюминесценцию в очень вязких жидкостях и в полимерах в момент их плавления и др.

Наиболее приемлемой для понимания природы звуколюминесценции и сонохимических реакций является теория локальной электризации. Согласно этой теории, пульсация пузырьков приводит к их росту, деформации и расщеплению. В жидкости у поверхности раздела с пузырьком образуется двойной электрический слой, в результате «смывания» диффузной части которого возникает нескомпенсированный электрический заряд. При достижении критической напряжённости электрического поля происходит электрический пробой внутри пузырька, чем и объясняются звуколюминесценция и сонохимические реакции в «холодном» кавитационном пузырьке.

В конце 20 в. в симметричной стоячей волне в дегазированной жидкости обнаружено возникновение однопузырьковой акустической кавитации, при которой, в отличие от обычной многопузырьковой акустической кавитации достигаются более высокие температуры. В связи с этим проводятся исследования, направленные на создание УЗ термоядерной установки.

Акустическая кавитация и связанные с ней физико-химические явления находят широкое применение в различных технологических процессах с целью диспергирования твёрдых тел, дегазации жидкости, эмульгирования несмешивающихся жидкостей, инициирования и ускорения химических реакций и т. п. Особое распространение получило использование акустической кавитации для очистки поверхностей деталей, для УЗ-пайки и сварки. Акустическая кавитация применяется в биологии и медицине для обезвреживания и стерилизации жидкостей, выделения биологически активных веществ из растительных клеток, а также при хирургических операциях с использованием фокусирующих УЗ-преобразователей.