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超声波空化处理背后的驱动力

超声波工具头

液体暴露在高强度超声下会发生声空化。这种现象通常可以被看作是在超声波源(如超声波喇叭)附近形成的气泡云,并被视为一种强烈的嘶嘶声。空化是在液体中形成的低压空洞(即真空气泡或空腔),这些空洞不断增大,短暂振荡,然后以巨大的强度不对称内爆。

空化的化学和物理效应

暴力泡沫崩溃在空化引起当地极端温度(~ 5000摄氏度),加热/冷却率(~ 100亿度/秒)和压力(~ 1000 atm),产生自由基,引起许多化学(化学)反应(如氧化污染物、杀菌、聚合、脱硫、长链分子降解,等等)。同时,空化场会产生流流、极快的微射流(约500 m/sec)和巨大的剪切力,促进广泛的物理(机械)效应(如乳化、颗粒破碎、细胞破碎、均质化、分散、脱团聚、脱气等)。在适当的条件下,空化现象甚至可以产生光——这种效应被称为声发光。

超声空化的纯化学效应随频率的增加有一定程度的增强,而机械作用随频率的增加有强烈的相反的依赖关系。工业超声波处理器设计引入强剪切力到处理过的液体,因此,倾向于工作在超声频谱的较低边缘(~ 20 kHz)。

对潜在机制的解释

超声波工具头
超声波工具头

下面的例子可以解释空化云形成的基本原理。考虑一下,当柱塞被拉回后,封闭的半满注射器中的液体会发生什么情况(动画在左侧)。由于注射器的体积增加,液体被拉伸,并将撕裂任何可能包含的缺陷(灰尘、气泡等),形成低压空洞。如果柱塞被松开,它就会自己回到原来的位置,而空隙就会坍塌。如果柱塞被向后推,而不是被释放,坍塌的强度就会增加。注意在这个“内爆”过程中,空洞气泡的壁比柱塞的运动速度快得多。

这种效果需要柱塞与注射器的内壁形成紧密的密封。在一个开放的容器中,从柱塞下方区域外部流出的液体只会在空隙形成之前填充它们。在超声喇叭以每秒20000次振动的情况下(动画在右边),然而,液体没有时间流入该区域。因此,这种情况在某种程度上类似于注射器中柱塞的情况,形成了空化云(真空气泡小得多)。

空化作用
超声波空化作用

空化气泡动力学的示意图如图所示,显示了低压空腔的生长和不对称塌陷,从而产生了微射流。气泡振荡与气泡的生长同时发生没有显示出来。随着气泡的振荡和膨胀,它将周围液体的蒸汽和溶解的气体一起吸入气泡内部。这个过程称为“整流扩散”。泡沫内的压力保持在相对较低的水平,这有助于其最终的内爆。在内爆的最后阶段,气泡壁的速度可以超过其气体内部的声速。这就在气泡中产生了冲击波(类似飞机穿越音障时产生的冲击波),将气泡分解成微小的碎片,这些碎片随后成为进一步空化事件的起始点。

保护你的听力

超声过程中产生的空化气泡崩塌产生强烈的广谱“嘶嘶”噪声,分贝可超过100分贝。因此,在使用超声波液体处理器时,采取健康和安全预防措施是非常重要的。

杭州泛索能超声

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