Глава 6. АКУСТИЧЕСКАЯ КАВИТАЦИЯ РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЗВУКА В СРЕДЕ С ПУЗЫРЬКАМИ

§ 1. Общие сведения

Мощное звуковое поле в жидкости порождает маленькие парогазовые пузырьки, которые под действием этого поля могут расти захлопываться и вызывать такие эффекты, как химические реакции, эрозия, звуколюминесценция и излучение звука (шума) в широкой полосе частот. Эти эффекты характеризуют физическое явление, называемое акустической кавитацией. Гидродинамическая кавитация, или образование и захлопывание парогазовых пузырьков (полостей), или образование разрывов в жидкости в местах локального понижения давления при обтекании тел, течений в трубах, в кильватерной струе и т. д., отличается только способом возбуждения и имеет много общего с явлением акустической кавитации.

Важность исследования кавитации была понята в начале нашего века, когда судостроители столкнулись с быстрым разрушением корабельных винтов из-за кавитационной эрозии. Первое математическое описание поведения кавитационной полости в жидкости было дано Рэлеем в 1917 г. [1]. Предложенная им модель сферической пустой полости, захлопывающейся в несжимаемой жидкости, помогла частично понять эрозионное действие кавитационных пузырьков. Дальнейшие исследования акустической кавитации были вызваны широким использованием звука и ультразвука в технологических процессах, где кавитация является одним из сильно действующих факторов, а также необходимостью повышения мощности акустических преобразователей в гидроакустике, где кавитация ставит предел максимальной интенсивности звука, излучаемого акустическими антеннами.

В общих чертах акустическую кавитацию можно представить себе следующим образом. В фазе разрежения звуковой волны на имеющихся в жидкости микропузырьках образуется разрыв в виде полости, которая заполняется насыщенным паром и диффундирующим в нее растворенным газом. В фазе сжатия пар конденсируется, а имеющийся в полости газ подвергается сильному адиабатическому сжатию. В момент захлопывания давление и температура газа достигают больших значений, что порождает в близкой окрестности пузырька импульс высокого давления. Акустическая кавитация представляет собой эффективный механизм концентрации энергии. При кавитации относительно низкая средняя плотность энергии

звукового поля трансформируется в высокую плотность энергии в малом объеме внутри и вблизи захлопывающегося пузырька. Полная энергия захлопывающегося пузырька невелика, однако сферическая сходимость пузырька приводит к образованию очень больших локальных плотностей энергии, а следовательно, высоких температур и давлений.

Теория образования, роста и захлопывания газовых пузырьков (газовая кавитация) первоначально развивалась для несжимаемой идеальной жидкости для случая одиночного сферического пузырька. Далее были уточнены уравнения динамики пузырька с учетом сжимаемости, вязкости и теплопроводности, конечности амплитуды колебаний стенки пузырька. Наконец, в этой теории был произведен учет несферичности колебаний пузырька, в особенности вблизи его резонансных частот и при достаточно больших амплитудах звука. Было показано, что несферичность колебаний и возникновение струек жидкости у захлопывающихся пузырьков, если они находятся вблизи твердой поверхности, является одной из причин кавитационной эрозии твердых тел. Теоретические исследования далее стали развиваться применительно к динамике паровых пузырьков (паровая кавитация), которая имеет много общего с динамикой газового пузырька, однако имеются и существенные различия.

Большая часть теоретических работ посвящена теории движения одиночного пузырька, тогда как в экспериментальных исследованиях и приложениях приходится иметь дело главным образом с кавитационной областью, т. е. совокупностью большого числа взаимодействующих пузырьков, различающихся своими размерами.

Распространение звука в гетерофазных средах, таких, например, как жидкость с пузырьками газа или пара, кавитационная область, кильватерная струя, верхние слои океана, содержащие большое количество газовых пузырьков различного радиуса, криогенная жидкость, содержащая паровые пузырьки, и т. д., отличается особенностями: газовые, паровые или парогазовые пузырьки приводят к рассеянию звука, вызывают увеличение поглощения звука и дисперсию.

Акустическая кавитация и распространение звука в пузырьковой (и вообще гетерофазной) среде представляет собой большую и сложную область исследований, имеющую существенное прикладное значение. В этой главе будут затронуты только основные аспекты акустической кавитации: динамика газовых и паровых пузырьков, кавитационная область, кавитационая прочность жидкостей, явления, сопровождающие кавитацию, а также ряд вопросов распространения акустических волн в жидкости с пузырьками.