空化作用

空化作用

超声波空化作用，就是指液体中的微小气泡核在超声波作用下产生振动，当声压达到一定值时，气泡将迅速膨胀，然后突然闭合，在气泡闭合时产生冲击波，这种膨胀、闭合、振荡等一系列动力学过程称超声波空化。

形成

液体介质中由于涡流或超声波的物理作用，液体中的某一区域会形成局部的暂时的负压区，于是在液体介质中产生空化气泡，简称为空穴或气泡。一定强度的超声波的作用下，液体介质产生的空化气泡，可分为四种类型：接近真空的气泡、含蒸气的气泡、含气体的气泡、蒸气的空化气泡。

根据空化气泡的热力学稳定性，空化气泡还可以分为亚稳气泡和稳定气泡。接近真空的气泡和含蒸气的空化气泡是亚稳气泡，一般认为是在强度超过10W/cm2

的超声被作用下而产生的；而稳定气泡则是在较低强度(2W/ c m2）的超声波作用下所产生的，主要是一些含有气体的空化气泡以及含有气体和蒸气的空化气泡。

空化气泡在超声场的作用下会发生振动，但并不一定就发生溃陷，只有当超声波的频率小子空化气泡振动频率时才会使空化气泡溃陷；反之，当超声波的频率超过空化气泡的振动频率时，空化气泡会进行更为复杂的振动，而不会发生溃陷。

特点

空化气泡一旦形成，既有可能重新溶解到液体介质中去，又有可能上浮而消失，或由于空化气泡自身大小的原因，在超声震荡的超声场中随着超声场的相位变化而长大和压缩。由于超声场是均匀的，在被体介质中间的空化气泡溃陷过程中保持球形。当液体介质中的微粒太小而不能够紊扰趣声场时，就会形成射流束，这时液体介质中的气泡也是球形溃陷的。

当空化气泡靠近固体的界面处时，固体表面上的空化气泡则发生不对称溃陷，产生直射向固体表面的射流束。由于溃陷气泡的大部分能由被转化为射流束的动能，使得射流束的速度高达每小时400km。也即射流束以近乎团体所能承受的力冲击固体表面，这样在固体的表面发生洗涤和孔蚀作用，故也称空化作用为孔蚀作用，这就是进行超声清洗、固-液反应或催化反应等的基础之所在。

空化作用气泡的寿命约0.1μs，它在急剧崩溃时可释放出巨大的能量，并产生

速度约为110m/s、有强大冲击力的微射流，使碰撞密度高达1.5kg/cm2。空化作用气泡在急剧崩溃的瞬间产生局部高温高压（5000K，1800atm），冷却速度可达109K/s。超声波这种空化作用大大提高非均相反应速率，实现非均相反应物间的均匀混合，加速反应物和产物的扩散，促进固体新相的形成，控制颗粒的尺寸和分布。

影响因素

超声波空化作用的强弱与声学参数以及液体的物理化学性质有关。

超声波强度：超声波强度指单位面积上的超声功率，空化作用的产生与超声波强度有关。对于一般液体超声波强度增加时，空化强度增大，但达到一定值后，空化趋于饱和，此时再增加超声波强度则会产生大量元用气泡，从而增加了做射衰减，降低了空化强度。

超声波频率：超声波频率越低，在液体中产生空化越容易。也就是说要引起空化，频率愈高，所需要的声强愈大。要在水中产生空化，超声波频率在400kHz时所需要的功率要比在10kHz时大10倍，即空化是随着频率的升高而降低。一般采用的频率范围20--40kHz。

液体的表面张力与黏滞系数：液体的表面张力越大，空化强度越高，越不易于产生空化。黏滞系数大的液体难以产生空化泡，而且传播过程中损失也大，因此同样不易产生空化。

液体的温度：液体温度越高，对空化的产生越有利，但是温度过高时，气泡中蒸气压增大，因此气泡闭合时增强了缓冲作用而使空化减弱。

现状

超声空化所引发的物理、机械、热效应、生物效应、化学效应等在工业上具有广阔的应用潜力。国内外学者在超声空化研究过程中认识到，空化必须在一定条件下才能发生，空化有一个阈值，它与超声波频率、波形、声压大小、介质温度、压力、黏度、含气量等因素有关。然而对空化的本质还需要深入地进行研究。

对空化强度还不能定量地测量，空化所造成的高温、高压也很难以确切的数字表达出来。空化后介质的力学、声学、热学、光学、电学性质的变化还不十分清楚，尤其在超声治疗中，生物体内是否有空化也尚未定论。

空化阈

空化阈是使液体介质产生空化作用的最低声强或声压振幅。

只有当交变声压幅大于静压力，才能出现负压。而只有当负压超过液体介质的黏度时，才会产生空化作用。

空化阈随不同的液体介质而不同，对于同一液体介质，不同的温度、压力、空化核的半径以及含气量，空化阈值也不同。一般来说，液体介质含气量越少，空化阈就越高。空化阈还与液体介质的黏滞性有关，液体介质的黏度越大，空化阔也越高。

空化阈与超声波的频率有着十分密切的关系，超声波的频率越高，空化阈也越高。超声波的频率越高，越难空化，要产生空化作用，就必须增加超声波的强度。

影响因素

1.超声波的空化作用由空化阂决定，空化阂又由许多因素有关，主要有以前几点。

2.空化阂与工作频率有关。频率越高，空化阈值越高，产生空化越难。

3.气泡在声场的作用下将进行振动，但不一定发生破灭，只有当声波的频率低于气泡的谐振频率时才可能使气泡破灭。当声波频率高于气泡的谐振频率时，气泡只进行复杂的振动，一般发生气泡破灭。

4.空化阔与介质中气泡半径有关，半径愈小，空化阈愈离。

5.空化阈与声波作用时间长短有关，声波辐射时间愈长空化阈愈低。

6.空化阈与环境静压力有关，静压力愈大，空化阈愈高。

7.空化阈与介质的粘滞性有关，粘度大，表面张力大，空化阈高。

8.空化|阈与液体含气量有关，含气量愈少，空化阈愈高。

9.空化阈与清洗液温度有关，清优液温度升高，对空化有利。但温度过高时，气泡中蒸气压增大，在气泡闭合期增强了缓冲作用而使空化减弱。温度还与清洗液的溶解度有关。对于水清洗液较适宜的温度约60"C。