Ультразвуковая кавитация. 
Ультразвук в медицине, ветеринарии и биологии

Ультразвуковая кавитация — возникновение в жидкости, облучаемой ультразвуком, пульсирующих и захлопывающихся пузырьков, заполненных паром, газом или их смесью.

Кавитационные пузырьки в распространяющейся в жидкости ультразвуковой волне возникают и расширяются во время полупериодов разрежения и сжимаются после перехода в область повышенного давления.

В идеальных однородных жидкостях пузырьки могут возникнуть лишь при весьма высоких растягивающих усилиях (отрицательных давлениях), превосходящих прочность жидкости.

Прочность реальных жидкостей довольно низка из-за того, что в них всегда достаточно много зародышей кавитации — микропузырьков газа, пылинок гидрофобных частиц и т. д. Возможно также, что зародыши кавитации непрерывно возникают при прохождении через жидкость космических частиц, а затем снова растворяются. Пузырьки газа с диаметром 10~⁵ см, по-видимому, могут сколь угодно находиться в воде, если их поверхность стабилизирована органическими загрязнениями, обычно присутствующими в «чистой» воде.

Кроме того, предполагается, что микропузырьки газа, даже не стабилизированные органикой, в принципе, не могут раствориться из-за особенностей структуры воды в межфазном слое жидкость — газ, ограничивающем пузырек.

Порогом кавитации называется интенсивность ультразвука, ниже которой не наблюдаются кавитационные явления.

Порог кавитации зависит от параметров, характеризующих как ультразвук, так и саму жидкость.

Для воды и водных растворов пороги кавитации возрастают с увеличением частоты ультразвука и уменьшением времени воздействия.

При импульсном ультразвуковом воздействии порог зависит от длительности импульса и достигает максимума при 0,06…0,6 мкс. Порог кавитации повышается и при уменьшении объема жидкости, так как, чем меньше объем, тем меньше в нем зародышей кавитации. Этим, очевидно, и объясняются высокие значения порогов для фокусированного ультразвука. Микронеоднородности в виде пылинок, микроорганизмов, молекул растворенного газа или ионов снижают порог кавитации в жидкой среде.

При интенсивностях ультразвука, не намного превышающих порог кавитации, микропузырьки газа в жидкости пульсируют относительно равновесного радиуса и постепенно увеличиваются в объеме.

При расширении пузырьков-зародышей, попадающих в область пониженного давления, в пузырек испаряется жидкость и диффундирует растворенный в жидкости газ. Если температура жидкости значительно ниже точки кипения, то пузырьки растут главным образом в результате диффузии.

При повышении давления в следующую половину периода колебания пузырек сжимается, направление диффузии меняется, и молекулы диффундируют из пузырька в жидкость. Количество продиффундировавшего газа пропорционально площади поверхности пузырька. Эта площадь в стадии сжатия меньше, чем в стадии расширения. Поэтому количество газа, попадающего в пузырек при расширении, несколько больше количества газа, выходящего из пузырька при его сжатии. Поэтому после каждого цикла сжатия-растяжения в пузырьке остается избыток газа.

Накопление газа в пузырьке, обусловливающее рост среднего размера пузырька в поле переменного давления, называется выпрямленной, или направленной, диффузией.

Диффузионный механизм обеспечивает сравнительно медленный рост зародышей, и при высокой частоте ультразвука они успевают совершить значительное число пульсаций, прежде чем достигнут резонансных размеров. Амплитуда пульсации пузырька с резонансными размерами (для данной частоты ультразвука) будет максимальной.

Размер резонансной полости в воде для частоты ультразвука в диапазоне 500… 1000 кГц можно рассчитать по формуле.

где/?_рсз — резонансный радиус пузырька, мкм;

/- частота ультразвука, кГц.

Для частот, превышающих 1 МГц, значения R^ в связи с возрастающей ролью поверхностного натяжения оказываются несколько выше, чем вычисленные по приведенной формуле.

Так, при частотах 1, 5 и 10 МГц в воде R^ равен 3,6; 0,95 и 0,56 мкм соответственно, в то время как, рассчитывая по формуле, получаем величины, равные 3,0; 0,6 и 0,3 мкм.

Необходимо отметить, что на частотах, превышающих 1 МГц, резонансные эффекты проявляются слабее, чем в диапазоне более низких частот.

Колебательная скорость стенки пузырька, размеры которого близки к резонансному, может намного превышать колебательную скорость частиц в ультразвуковой волне, что позволило назвать кавитационные пузырьки усилителями скорости.

Если ультразвуковое поле неоднородно, то пузырьки не только пульсируют, но и движутся поступательно.

В стоячей волне, например, пузырьки движутся к пучностям давления, если их размеры меньше резонансного, и к узлам давления, если они превышают по размеру резонансные пузырьки. Нередко пузырьки в ультразвуковом поле осциллируют — колеблются около некоторого положения равновесия.

Пульсирующие в течение многих периодов пузырьки называются стабильными полостями, а само явление, связанное с существованием в жидкости таких пузырьков, — стабильной кавитацией.

Повышение интенсивности ультразвука приводит к нестабильной кавитации: пузырьки довольно быстро (за несколько периодов) достигают резонансного размера, стремительно расширяются, после чего резко захлопываются.

Предполагается, что при захлопывании содержащаяся в пузырьке парогазовая смесь, адиабатически (не успевая обменяться теплом с окружающей средой) сжимается до давления 10⁵ Па (300 атм) и нагревается до температур порядка 8000… 12 000 К. Известно, что уже при 2000 К около 0,01% молекул НгО внутри пузырька диссоциируют на водородные Н и гидроксильные ОН свободные радикалы. Эти радикалы могут рекомбинировать с образованием электронно-возбужденных состояний молекул НгО*:

При переходе молекул НгО* из электронно-возбужденного состояния в основное высвечивается квант света — происходит сонолюминесценция.

Свободные Н и ОН радикалы могут диффундировать в раствор и вступать в реакции с растворителем или растворенными веществами, инициируя радикальные химические процессы.

Захлопывающиеся кавитационные пузырьки порождают в жидкости мощные импульсы давления и ударные волны.

Кавитация в жидкости сопровождается различными явлениями:

• — характерным шумом во всем диапазоне частот и сильным акустическим сигналом на частоте, равной половине частоты ультразвука, вызвавшего кавитацию;
• — ускорением одних химических реакций и инициированием других;
• — интенсивными микропотоками и ударными волнами, способными перемешивать слои жидкости и разрушать поверхности граничащих с кавитирующей жидкостью твердых тел;
• — ультразвуковым свечением, а также различными биологическими эффектами.

Вследствие концентрирования энергии в очень малых объемах ультразвук может вызывать такие явления, как разрыв химических связей макромолекул, инициирование химических реакций, эрозию поверхностей твердых тел и свечение.