Što je ultrazvučna kavitacija?
Kada pritisak zvučnog vala širi se ultrazvučnom vibracijom u tekućini dosegne jednu atmosferu, vršni tlak ultrazvučnog vala može doseći vakuum ili negativni tlak. Međutim, u stvarnosti, nema negativnog tlaka, pa se u tekućini stvara velika sila koja tekuće molekule povlači u praznine. Ova je šupljina vrlo blizu vakuumu, a pukne kada ultrazvučni tlak dosegne svoj maksimalni obrnuti smjer. Snažan utjecaj generiran rupturama udara prljavštinu na površini objekta. Fenomen udarnog vala nastao puknulom bezbrojnih malih kavitacijskih mjehurića naziva se fenomen "kavitacije".
Kad je ultrazvučna energija dovoljno visoka, sitni mjehurići (kavitacijske jezgre) koji postoje u tekućini vibriraju, rastu i kontinuirano prikupljaju energiju akustičkog polja pod djelovanjem ultrazvučnog polja. Kad energija dosegne određeni prag, kavitacijski mjehurići se sruše i brzo zatvaraju.
Životni vijek kavitacijskih mjehurića je oko 0. 1 µ s. Kad se brzo sruše, mogu osloboditi ogromnu energiju i stvoriti mikro mlaznice brzinom od oko 110 m/s i snažnom udarnom silom, što rezultira gustoćom sudara do 1,5 kg/cm2. U trenutku brzog kolapsa, kavitacijski mjehurići stvaraju lokalnu visoku temperaturu i tlak (5000k, 1800atm), sa brzinom hlađenja do 109k/s. Kavitacijski učinak ultrazvuka uvelike povećava brzinu heterogenih reakcija, postiže jednolično miješanje između heterogenih reaktanata, ubrzava difuziju reaktanata i proizvoda, potiče stvaranje čvrstih novih faza i kontrolira veličinu i raspodjelu čestica.
Dodatne informacije:
Kada se ultrazvuk razmnoži u mediju, interakcija između ultrazvuka i medija uzrokuje fizičke i kemijske promjene u mediju, što rezultira nizom mehaničkih, toplinskih, elektromagnetskih i kemijskih ultrazvučnih učinaka, uključujući sljedeća četiri učinka:
1. Mehanički učinci. Mehaničko djelovanje ultrazvuka može promicati emulgiranje tekućine, ukapljivanje gela i disperziju krute tvari. Kada se stajaće valovi formiraju u ultrazvučnom medijama za tekućinu, sitne čestice suspendirane u fluidnom kondenzu na čvorovima zbog mehaničkih sila, tvoreći periodične akumulacije u prostoru.
Inducirana polarizacija i magnetizacija uzrokovana mehaničkim djelovanjem ultrazvučnih valova tijekom širenja piezoelektričnih i magnetostiktivnih materijala (vidi dielektričnu fiziku i magnetostikciju).
2. Kavitacijski učinak. Ultrazvučni valovi mogu stvoriti veliki broj malih mjehurića kada se nanese na tekućine. Jedan od razloga je taj što se lokalni zatezni napon pojavljuje unutar tekućine, tvoreći negativni tlak. Smanjenje tlaka uzrokuje da se plin koji je prvotno otopio u tekućini postao prenasičan i pobjegao iz tekućine, postajući mali mjehurići.
Drugi razlog je taj što snažni zatezni stres suze tekućinu u šupljinu, poznatu kao kavitaciju. Šupljina sadrži tekuću paru ili drugi plin otopljen u tekućini, a može biti čak i vakuum. Mali mjehurići formirani kavitacijom neprestano će se kretati, rasti ili iznenada puknuti vibracijama okolnog medija.
3. Toplinski učinak. Zbog visoke frekvencije i energije ultrazvuka, može proizvesti značajne toplinske učinke kada se apsorbira medij.
4. Kemijski učinci. Djelovanje ultrazvuka može promicati ili ubrzati određene kemijske reakcije. Na primjer, čista destilirana voda proizvodi vodikov peroksid nakon ultrazvučnog tretmana; Dušična kiselina nastaje nakon ultrazvučnog obrade vode koja sadrži dušik plin; Vodena otopina bojenja promijenit će boju ili izblijediti nakon ultrazvučnog tretmana.
