12.2. Кавитация

В большинстве статей о химических и биологических эффектах ультразвука отсутствуют убедительные данные, дающие возможность выявить механизм его действия в каждом конкретном случае. Большая часть экспериментов (особенно при воздействии на жидкие среды) проводилась при условиях, когда возникновение кавитации как основного механизма было весьма вероятным. В то же время возможность экстраполяции этих результатов на условия, характерные для тканей млекопитающих, остается неясной. В этой ситуации очевидно, что хорошее объяснение явления кавитации, а также определяющих ее факторов и ограничений важно для достаточно ясного представления о предмете биофизики ультразвукового воздействия. Настоящий раздел как раз и посвящен изучению некоторых аспектов кавитации.

12.2.1. ОПРЕДЕЛЕНИЯ

В литературе существует много определений кавитации. Неппирас [100] определяет кавитацию как явление, при котором в объеме жидкости образуется новая поверхность. Это широкое определение включает в себя кипение и бурную дегазацию. Апфель [2] определил кавитацию как образование одного или нескольких включений газа или полостей в жидкости. Коукли и Найборг [15] используют термин «кавитация» при описании активности — простой или сложной — пузырьков или полостей, содержащих газ или пар, в жидкости или других средах, включающих в себя жидкость.

В этом разделе под акустической кавитацией понимается образование и активизация газовых или паровых полостей (пузырьков) в среде, подвергаемой ультразвуковому воздействию.

По общепринятой терминологии существуют два типа активности пузырьков: стабильная кавитация и коллапсирующая, или нестационарная, кавитация, хотя граница между ними не всегда четко очерчена.

Стабильные полости пульсируют под воздействием давления ультразвукового поля (см. рис. 12.6). Радиус пузырька колеблется

Рис. 12.6. Зависимость радиуса кавитационных пузырьков от времени в ультразвуковом поле: а — стабильная кавитация: полости существуют в течение значительного количества периодов звукового поля, осцилляции происходят вокруг равновесного радиуса; б - коллапсирующая (нестационарная) кавитация: полости осциллируют неустойчиво, растут быстро, схлопываются энергично. Р—действующее звуковое давление, радиус пузырька, время.

около равновесного значения, полость существует в течение значительного числа периодов звукового поля. С активностью такой стабильной кавитации может быть связано возникновение акустических микропотоков и высоких сдвиговых напряжений.

Коллапсирующие или нестационарные полости осциллируют неустойчиво около своих равновесных размеров, вырастают в несколько раз и энергично схлопываются. Их активность проявляется в течение нескольких периодов звукового поля. Схлопыванием таких пузырьков могут быть обусловлены высокие температуры и давления, а также преобразование энергии ультразвука в излучение света или химические реакции.

12.2.2. ОБРАЗОВАНИЕ ПОЛОСТЕЙ

Происхождение пузырьков, растущих и проявляющих активность под действием приложенного акустического поля, всегда было предметом дискуссии.

Большие пузырьки радиусом будут всплывать в жидкости со скоростью, определяемой стоксовой силой вязкого сопротивления и выталкивающей силой:

где плотность жидкости, ту — вязкость жидкости. Пузырек радиусом 10 мкм, например, всплывает со скоростью Более мелкие пузырьки могут растворяться. Рассмотрим пузырек радиусом давление внутри которого обозначим через Если гидростатическое давление в жидкости, то разность давлений на границе пузырька равна

где а — коэффициент поверхностного натяжения. Как следует из приведенного выражения, с уменьшением радиуса пузырька избыточное давление внутри него увеличивается. Для пузырьков радиусом в жидкости, для которой избыточное давление достигает 1,5 атм.

Для ненасыщенной жидкости давление растворенного газа меньше гидростатического давления Из этого следует, что давление внутри пузырька больше давления газа в жидкости и газ будет диффундировать из полости. Следовательно, малые пузырьки в жидкости будут растворяться. Можно рассчитать [33], что в воде, насыщенной газом пузырек радиусом растворится за 7 с.

Поскольку большие пузырьки всплывают под действием выталкивающей силы, а маленькие растворяются, необходимо как-то объяснить существование зародышей, из которых образуются полости. Было предложено несколько гипотез стабилизации газовых или паровых зародышей.

Сетте и Вандерлинг [125] сообщали, что космические лучи, нейтроны и тяжелые ионы могут создавать зародыши кавитации в такой жидкости как вода. В работе [50] описывается образование зародышей кавитации нейтронами и альфа-частицами.

Фокс и Герцфельд [39] выдвинули предположение, что органические молекулы могут формировать оболочку пузырька, которая будет препятствовать диффузии газа из него. Другая теория, выдвинутая Флинном [38] для объяснения стабилизации микропузырьков,

предполагает, что на поверхности пузырька накапливается электрический заряд.

На пылинках и примесных частицах, содержащихся в жидкостях, а также на поверхности сосуда могут существовать микротрещины. Эти микротрещины, также как и твердые частицы, могут служить ловушками для газа. Апфель [1] обсуждал роль частичек примесей в возникновении кавитации. Избыточное давление внутри частичек, задаваемое где радиус частичек, мало, но под действием звука достаточно высокой интенсивности газ может накачиваться в них и полости могут расти. Было показано, что интенсивность звука, необходимая для получения кавитации, заметно повышается при увеличении чистоты жидкости.

Малые пузырьки могут расти вследствие процесса, называемого выпрямленной, или направленной диффузией. Простое объяснение этого явления состоит в том, что за период акустического поля газ поочередно диффундирует в пузырек во время фазы разрежения и из пузырька во время фазы сжатия. Так как поверхность пузырька в фазе разрежения максимальна, суммарный поток газа направлен внутрь пузырька, поэтому пузырек растет. Более детальное объяснение дано Ши и Плессетом в работе [67]. Чтобы пузырек рос за счет выпрямленной диффузии, амплитуда акустического давления должна превысить пороговое значение. Порог выпрямленной диффузии, как полагают, и определяет порог кавитации.