空化效应

空化效应

      超声空化是在超声波的正压期间分子结构形成空虚,发射强超声波于液体中产生溶解气体或液体蒸气的气泡成长而爆烈、消灭的现象。具体而言,超声空化是强超声在液体中引起的一种特有的物理现象,是一个典型的非线性的声学问题。理论上讲,纯净的液体分子结合力很强,因而具有极高的抗拉强度。但通常的实际液体因种种原因而混入一些微小气泡,构成了液体的薄弱环节,当交变声压形成的负压相足够强时,液体将首先在这些薄弱环节处被拉开,从而形成空腔并长大;继而在接着到来的正压作用下空腔将被压缩,进而快速闭合。这种微小气泡随超声振动迅速发生收缩、闭合、破裂的过程即超声空化。液体中存在的微小气泡称为空化核,液体产生空化所需的最低声压或声强辐值称空化阈值,空化阈值只表明用超声波产生空化的难易程度,它与空化的各种效应是两回事。影响超声空化阈值的因素,国内外学者进行了大量的研究发现:对不同性质的液体,与其表面张力系数、密度、饱和蒸气压、粘滞性相关;对同一种液体与其温度、静压力、含气量、含杂质程度等因素有密切关系;另外,在液体状况均相同的情况下,空化阈值随照射声波的频率、波型、波形参数而变化。

      根据气泡不同的动力学行为可将空化分为稳态空化和瞬态空化。前者是指在液体声场中存在适当大小的气泡时,它们在交变声压作用下可能进入人体共振状态,当声波频率接近气泡体共振的特征频率时的动力学过程,这一过程往往伴随一系列二阶现象发生,包括辐射力作用和伴随气泡脉动而发生的微声流;而后者是指在较高的声场中气泡的动力学过程更为复杂和激烈,在声场负压相时,存在于液体中的空化核迅速膨胀,随即又在正压相下突然收缩以致崩溃,当气体的体:积收缩到极小时,其温度可高达数千度,气泡中的水蒸气被分解为H和OH自由基,自由基又迅速地与其他成分发生化学反应,此外在空化泡崩溃时还有声致发光、冲击波及高速射流等现象伴随发生。两者的发生都需媒质有气泡的存在。

      总之,气泡在压缩闭合阶段,由于受到液体中静压力,正声压和液体表面张力的共同作用,泡壁的闭合速度将越来越快,在完全闭合的瞬间,此时因泡内急剧压缩和泡外液体也应看作是非压缩的,因此在气泡快速闭合的瞬间产生一系列放电、发光、高温、高压、高能量密度冲击波、微冲流、微聚变、高精度时钟等奇特极端物理条件。这也是产生生物效应的物理基础。