Mikä on ultraääni kavitaatio?
Kun ääniaallon paine, jota leviää ultraääni värähtely nesteessä, saavuttaa yhden ilmakehän, ultraäänen huippupaine voi saavuttaa tyhjiön tai negatiivisen paineen. Todellisuudessa negatiivista painetta ei kuitenkaan ole, joten nesteessä syntyy suuri voima, joka vetää nesteen molekyylit tyhjiksi. Tämä onkalo on hyvin lähellä tyhjiötä, ja se repeytyy, kun ultraääni paine saavuttaa suurimman käänteisen suunnan. Repeämän tuottama vahva vaikutus osuu likaa esineen pintaan. Lukemattomien pienten kavitaatiokuplien repeämän aiheuttamaa iskuaalto -ilmiötä kutsutaan "kavitaatio" -ilmiöksi.
Kun ultraäänienergia on riittävän korkea, nesteessä olevat pienet kuplat (kavitaatio -ytimet) värähtelevät, kasvavat ja keräävät jatkuvasti akustista kenttäenergiaa ultraäänikentän vaikutuksesta. Kun energia saavuttaa tietyn kynnyksen, kavitaatiokuplat romahtavat ja lähelle nopeasti.
Kavitaatiokuplien elinikä on noin 0. 1 μs. Kun ne romahtavat nopeasti, ne voivat vapauttaa valtavaa energiaa ja tuottaa mikromuihkuja nopeudella noin 110m/s ja voimakas vaikutusvoima, mikä johtaa jopa 1,5 kg/cm2 törmäystiheyteen. Nopean romahtamisen hetkellä kavitaatiokuplat tuottavat paikallista korkeaa lämpötilaa ja painetta (5000 k, 1800ATM), jäähdytysnopeudella jopa 109 k/s. Ultraäänen kavitaatiovaikutus lisää huomattavasti heterogeenisten reaktioiden nopeutta, saavuttaa tasaisen sekoittumisen heterogeenisten reagenssien välillä, nopeuttaa reagenssien ja tuotteiden diffuusiota, edistää kiinteiden uusien vaiheiden muodostumista ja hallitsee hiukkasten kokoa ja jakautumista.
Lisätietoja:
Kun ultraääni etenee väliaineessa, ultraäänen ja väliaineen välinen vuorovaikutus aiheuttaa väliaineen fysikaalisia ja kemiallisia muutoksia, mikä johtaa sarjaan mekaanisia, lämpö-, sähkömagneettisia ja kemiallisia ultraäänivaikutuksia, mukaan lukien seuraavat neljä vaikutusta:
1. Mekaaniset vaikutukset. Ultraäänen mekaaninen vaikutus voi edistää nesteen emulgointia, geelin nesteyttämistä ja kiinteän aineen leviämistä. Kun seisovat aallot muodostetaan ultraäänivesteen väliaineisiin, pienet hiukkaset suspendoituna neste tiivistyy solmuissa mekaanisten voimien takia muodostaen avaruuteen jaksolliset kertymisen.
Indusoitu polarisaatio ja magnetointi, joka johtuu ultraääniaaltojen mekaanisesta vaikutuksesta leviämisen aikana pietsosähköisissä ja magnetostriktiivissä materiaaleissa (katso dielektriset fysiikat ja magnetostriktio).
2. kavitaatiovaikutus. Ultraääniaallot voivat tuottaa suuren määrän pieniä kuplia nesteisiin levitettäessä. Yksi syy on, että paikallinen vetolujuus tapahtuu nesteen sisällä, joka muodostaa negatiivisen paineen. Paineen väheneminen aiheuttaa nesteen alun perin liuenevan kaasun ylikyllästymisen ja paeta nesteestä, jolloin tulee pieniä kuplia.
Toinen syy on, että voimakas vetolujuus repii nesteen onteloon, joka tunnetaan nimellä kavitaatio. Onkalo sisältää nesteen höyryä tai muuta nesteeseen liuennettua kaasua, ja se voi olla jopa tyhjiö. Pienet kavitaation muodostamat kuplat liikkuvat jatkuvasti, kasvavat tai räjähtivät yhtäkkiä ympäröivän väliaineen värähtelyn.
3. Lämpövaikutus. Ultraäänen korkean taajuuden ja energian vuoksi se voi tuottaa merkittäviä lämpövaikutuksia, kun väliaine absorboi sen.
4. kemialliset vaikutukset. Ultraäänen vaikutus voi edistää tai kiihdyttää tiettyjä kemiallisia reaktioita. Esimerkiksi puhdas tislattu vesi tuottaa vetyperoksidia ultraäänikäsittelyn jälkeen; Typpihappoa syntyy typpikaasun sisältävän veden ultraäänikäsittelyn jälkeen; Väriaineen vesiliuos muuttaa väriä tai haalistumista ultraäänikäsittelyn jälkeen.
