聲致空化簡介

嚴導淦

（同濟大學物理科學與工程學院，上海 200092）

強聲波尤其是超聲波通過液體介質時，產生一種極為重要的空化作用.實驗表明，當液體中有超聲波在作用時，液體中往往出現大量可見的氣泡，這僅是超聲的去氣效應，而并非真正的空化作用.當聲強增大時，液體中涌現霧流，這是由一些肉眼難以觀察的含氣空穴所組成的.當聲強再增大時，又會出現一種新的現象，會聽到小的爆裂聲，暗室內還可以看到發光現象，這是由于極小的含有稀薄蒸氣的空穴的崩潰所引起的，上述兩種現象統稱為聲致空化現象.

我們知道，液體是能承受壓縮的，但經受不起拉伸.當超聲波通過液體介質時，使液體介質不斷受到壓縮和拉伸.如果拉力足以破壞分子的內聚力，液體就會斷裂而形成幾乎真空的空穴；而到壓縮階段，這空穴發生崩潰.崩潰時，空穴內部壓強可達幾萬個大氣壓，空穴附近則形成強烈的沖擊波，其壓強最大可達幾千大氣壓，同時，由于液體的破裂和壓強的突變，產生了局部高溫，并引起電離，因之還有放電、發光等現象出現.這就是空化作用.

聲致空化的產生有賴于液體中有小氣泡的存在.事實上，液體內部總有大量的極微小的固體懸浮粒子吸附著少量的氣體或蒸氣；液、固邊界面處的小裂縫內也可停留住少量微小的氣泡，這些固體懸浮粒子或固體邊界面處的殘留氣泡通常稱為空化核.如果是理想的純液體，則使液體破裂的拉應力是很大的，相應的壓強需達103大氣壓的數量級；而在空化核處由于存在著液體結構的弱點，僅需較小的拉應力就可破裂.隨著空化核的性質、液體介質的性質、超聲的頻率以及靜壓、溫度等等因素的不同，使液體破裂的最小應力，其壓強約自十分之幾大氣壓直至上百個大氣壓.超聲波聲壓的負值超出靜壓的數值足夠提供這個拉應力，因此，就可以使液體斷裂而形成空穴，由于空化核的存在，這樣形成的空穴中總是含有少量的氣體或蒸氣，內部不可能是完全真空的，空化發光的光譜可證明就是這些氣體或蒸氣在發光.

相應于每一個超聲頻率，這些含氣或蒸氣的氣泡，存在著一個能與之發生共振的氣泡半徑R0.按照氣泡的彈性振動理論可知，其本征頻率為［1］

于是，式（1）可寫成

由此可以求出與超聲頻率共振的氣泡半徑R0為

根據式（5）計算，在水中與頻率為1MHz的超聲波共振的氣泡半徑R0約為幾個微米，而20kHz時的R0約為幾十微米.

只有原始尺寸小于R0的空化核才能在拉伸階段達到共振半徑而強烈振蕩，再在壓縮階段由于體積突然減小而發生崩潰.

由于頻率越高時，相應的R0越小，能夠發生崩潰的空穴數目亦隨之減少.因此，要產生高頻的空化也較難.但理論上可以證明，原始尺寸越小的空穴，崩潰時的激烈程度越大，這又是高頻時的空化的特殊優點.如果從獲得空化的經濟效果來看，則顯然用低頻比較適宜，但為了避免強烈的振耳的聲音起見，一般用15 000Hz以上的頻率.我們把普通水在室溫時各種頻率所需產生空化作用的最小 聲 強，稱 為 空 化 閾［2］.實 驗 表 明，頻 率 在5MHz時，空化閾的聲強將幾乎達到105W/cm2，聲壓將達到上百個大氣壓，頗不經濟.因此，一般在超聲處理應用中利用空化作用時，頻率的上限約為1MHz左右.

研究指出，當脈沖超聲波通過液體時，脈沖的持續時間越短，空化閾就越大；而當連續超聲波通過液體時，空化閾就越小.這是由于空穴的成長和崩潰都需要有一定的時間.

當超聲波在液體介質中產生空化作用時，由于空化氣泡的存在，將使聲能的散射和吸收大大增加，而降低了傳聲性能，因此在傳遞聲能的場合，例如在超聲檢測應用中，就要求設法避免空化作用的產生.

在空化作用中，當空穴崩潰時，空穴附近的液體中所受到的作用，主要是以空穴為中心輻射出來的沖擊波.沖擊波的壓強可達上千個大氣壓，這就大大增強了超聲的機械作用，所有超聲的擊碎、攪拌、混合、乳化、擴散、滲透等等的效應只要是在液體中進行時，都因空化作用的存在而效果顯著提高.此外，在氣泡共振以后直到崩潰為止，由于液體的破裂，氣泡內部壓強的突變，如前所述，還會引起電離、發光、局部高壓高溫等現象，這將促進大量的化學反應.

空化作用對液體中的超聲凝聚則有顯著的破壞作用，因此液體中超聲凝聚技術往往利用駐波，而且用較高的頻率，使得超聲雖然很強而空化卻不發生.

空化作用是液體介質中的特殊現象，由于空化作用的效果顯著，使得液體中的超聲處理技術卓有成效.

［1］金澤里，札葉茲德尼.聲學基礎.第三章［M］.北京：高等教育出版社，1955.

［2］Bergmann，L..Der ultraschall und seine anwendung in wissenschaft und technik.1966：JW Edwards.

［3］實吉純一，菊池喜充，能本乙彥，等.超聲波技術便覽［M］.日刊工業新聞社，1960.