奇妙的超声波空化效应

   微小空泡内为液体的蒸气或溶于液体的另一种气体，甚至可能是真空。因空化作用形成的小气泡会随周围介质的振动而不断运动、长大并突然破灭。破灭时周围液体突然冲入气泡而产生高温、高压，同时产生激波。与空化作用相伴随的内摩擦可形成电荷，并在气泡内因放电而产生发光现象。

    在液体中进行超声处理的技术大多与空化作用有关。空化作用一般包括3个阶段：空化泡的形成、长大、剧烈的崩溃。当盛满液体的容器通入超声波后，由于液体振动而产生数以千亿计的微小气泡，即空化泡。这些气泡在超声波纵向传播形成的负压区生长，而在正压区迅速闭合，从而在交替正负压强下受到压缩和拉伸。在气泡被压缩直至崩溃的一瞬间，会产生巨大的瞬时压力，一般可高达60MPa-1000MPa。

三、空化泡形成：

   超声波作用于液体时可产生大量小气泡 。一个原因是液体内局部出现拉应力而形成负压，压强的降低使原来溶于液体的气体过饱和，而从液体逸出，成为小气泡。另一原因是强大的拉应力把液体“撕开”成一空洞，称为空化。

在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，于是在液体介质中可产生空化气泡，简称为空穴或气泡。在一定强度的超声波的作用下，液体介质可以产生空化气泡，这些空化气泡就其所含气体而言，可分为以下四种类型:

1.接近真空的气泡；

2.含蒸气的气泡；

3.含气体的气泡；

4.含气体和蒸气的气泡。

   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 的超声波作用下而产生的;而稳定气泡则是在较低强度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于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。

四、超声波空化的应用：

    超声波被地球人广泛的运用于各个领域，就是利用空化作用以及与之伴随的机械效应、热效应、化学效应、生物效应等等。

    机械效应和化学效应的应用，前者主要表现在非均相反应界面的增大；后者主要是由于空化过程中产生的高温高压使得高分子分解、化学键断裂和产生自由基等。利用机械效应的过程包括吸附、结晶、乳化、粉碎、分散、搅拌、电化学、非均相化学反应、过滤以及超声清洗等；利用化学效应的过程主要包括有机物降解、高分子化学反应以及其他自由基反应。比如生物柴油的制备等。

五、超声波空化效应的影响因素：

1.超声波声强对空化的影响：

   超声波强度指单位面积上的超声功率，我们称之为声强，用w/cm2标记。空化作用的产生与超声波强度密切相关，声强越猛，空化作用就越厉害，反之则越微弱。在超声波化学工艺中，就要力求超声波机器发出的声强越大越好，如此，作用才会高效、明显，比如超声波萃取中药、超声波粉碎纳米材料，超声波乳化柴油，超声波细胞粉碎机，声强越强，则上述相应的处理加工速率就越快，效率越好，假若声强小到一定程度，辣么以上超声波工艺可能就没啥实际作用，也就失去了超声波处理的意义，所以声强越猛，越有益于利用。但是，在某些液体介质中，声强并非越大越有用，对于一般液体超声波强度增加时，空化强度增大，当达到一定声强值后，空化趋于饱和，此时再增加超声波强度则会产生大量无用气泡，从而增加了散射衰减，降低了空化强度。

2.超声波频率对空化的影响：

   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，所需要的声强越强。例如：要在水中产生空化，超声波频率在400 KHz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20K-40KHz。

3.液体的表面张力与黏滞系数：

 液体的表面张力越大，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，因此同样不易产生超声波空化。比如：机油跟柴油相比，机油很难产生有效的超声波空化，而柴油、水、酒精、丙酮等这些黏滞系数比机油小的就很容易产生超声波空化作用。

4.液体的温度对空化的影响：

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

5.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声强值。