bsuirДоклады БГУИРDoklady BGUIR1729-76482708-0382БГУИР10.35596/1729-7648-2024-22-2-92-104bsuir-3908Research ArticleЭЛЕКТРОНИКА, РАДИОФИЗИКА, РАДИОТЕХНИКА, ИНФОРМАТИКАELECTRONICS, RADIOPHYSICS, RADIOENGINEERING, INFORMATICSИсследование акустической кавитации: результаты, практическая реализация и перспективы развитияResearch of Acoustic Cavitation: Results, Practical Implementation and Development ProspectsГаврилюкВ. С.GavrilukV. S.

инж.-програм. науч.-исслед. лаб. «Ультразвуковые технологии и оборудование» (НИЛ 5.2) НИЧ

Software Engineer at the Scientific Research Laboratory “Ultrasound Technologies and Equipmentˮ (Lab. 5.2) of R&D Department

ДежкуновН. В.DezhkunovN. V.

Дежкунов Николай Васильевич, канд. техн. наук, доц., зав. НИЛ 5.2 НИЧ

220013, г. Минск, ул. П. Бровки, 6

Тел.: +375 17 293-86-35

Dezhkunov Nikolai Vasilievich, Cand. of Sci., Associate Professor, Head of the Lab. 5.2 of R&D Department

220013, Minsk, P. Brovki St., 6

Tel.: +375 17 293-86-35

dnv@bsuir.byКотуховА. В.KotukhovA. V.

зам. декана факультета компьютерного проектирования

Deputy Dean of the Faculty of Computer-Aided Design

КолтовичВ. А.KoltovichV. A.

канд. техн. наук, ст. науч. сотр. НИЛ 5.2 НИЧ

Cand. of Sci., Senior Researcher at the Lab. 5.2 of R&D Department

МинчукВ. С.MinchukV. S.

мл. науч. сотр. НИЛ 5.2 НИЧ

Junior Researcher at the Lab. 5.2 of R&D Department

ФедоринчикМ. П.FedorinchikM. P.

науч. сотр. НИЛ 5.2 НИЧ

Researcher at the Lab. 5.2 of R&D Department

КурлюкЕ. А.KurliukE. A.

оператор ПЭВМ НИЛ 5.2 НИЧ

PC Operator at the Lab. 5.2 of R&D Department

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроникиBelarusian State University of Informatics and Radioelectronics20241604202422292104Copyright © Гаврилюк В.С., Дежкунов Н.В., Котухов А.В., Колтович В.А., Минчук В.С., Федоринчик М.П., Курлюк Е.А., 20242024Гаврилюк В.С., Дежкунов Н.В., Котухов А.В., Колтович В.А., Минчук В.С., Федоринчик М.П., Курлюк Е.А.Gavriluk V.S., Dezhkunov N.V., Kotukhov A.V., Koltovich V.A., Minchuk V.S., Fedorinchik M.P., Kurliuk E.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://doklady.bsuir.by/jour/article/view/3908

Приведены наиболее значимые результаты исследований в Белорусском государственном университете информатики и радиоэлектроники, направленных на создание методов и приборов для мониторинга кавитации и управления ее активностью. Уточнены механизмы и закономерности новых и малоизученных явлений: ультразвукового капиллярного эффекта, звуколюминесценции, кавитационного шума и его спектральных компонент, оценены возможности их использования для аппаратурной реализации в качестве индикаторов кавитации. Обнаружены новые кавитационные явления: генерирование постоянной ЭДС под действием переменного давления ультразвуковой частоты, акустическое просветление кавитационной области при импульсном модулировании ультразвукового поля, эффект долговременной памяти кавитационных свойств жидкости. Установлены неизвестные ранее закономерности: показано, что кавитационная область проходит четыре стадии развития при увеличении интенсивности ультразвука; сформулирована теорема о максимуме активности кавитации; установлены спектральные характеристики кавитационного шума, коррелирующие с интенсивностью звуколюминесценции; показано, что импульсное модулирование ультразвукового поля позволяет управлять активностью кавитации. На основании полученных данных разработаны новые методы и приборы для исследования кавитации и управления ее активностью. По ряду параметров это оборудование превосходит лучшие мировые образцы, что подтверждается поставками в Россию, страны Евросоюза, Китай, США и Южную Корею.

The most significant results of research performed in the Belarusian State University University of Informatics and Radioelectronics, aimed at creating methods and instruments for monitoring cavitation and controlling its activity, are presented. To achieve this goal, it was necessary to clarify the mechanisms and patterns of new and little-studied phenomena: ultrasonic capillary effect, sonoluminescence, cavitation noise and its spectral components and evaluate the possibilities of their use for hardware implementation as cavitation indicators. New cavitation phenomena have been discovered: reverse ultrasonic capillary effect, generation of constant EMF under the influence of alternating pressure of ultrasonic frequency; acoustic clearing of the cavitation area with pulsed modulation of the ultrasonic field, the effect of long-term memory of the cavitation properties of the liquid. Previously unknown patterns have been established: it is shown that the cavitation region goes through four stages of development with increasing ultrasound intensity; a theorem on the maximum cavitation activity was formulated; the spectral characteristics of cavitation noise were established, correlating with the intensity of sonoluminescence. It has been shown that pulsed modulation of the ultrasonic field makes it possible to control the dynamics of the development of the cavitation region and the activity of cavitation. Based on the data obtained, new methods and instruments have been developed to study cavitation and control its activity. In a number of parameters, the created equipment surpasses the best world samples, what is confirmed by deliveries to the Russia, EU countries, China, USA and South Korea.

ультразвуккавитациядатчиккавитометрспектральный анализзвуколюминесценциякавитационный шумактивность кавитацииultrasoundcavitationsensorcavitometerspectral analysissonoluminescencecavitation noisecavitation activityReferencesСиротюк, М. Г. Акустическая кавитация / М. Г. Сиротюк. М.: Наука, 2008.Sirotyuk M. G. (2008) Acoustic Cavitation. Moscow, Nauka Publ. (in Russian).Brenner, M. P. Single-Bubble Sonoluminescence / M. P. Brenner, S. Hilgenfeldt, D. Lohse // Rev. Mod. Phys. 2002. Vol. 74. Р. 65–144.Brenner M. P., Hilgenfeldt S., Lohse D. (2002) Single-Bubble Sonoluminescence. Rev. Mod. Phys. 74, 65–144.Sonoluminescence and Acoustic Emission Spectra at Different Stages of Cavitation Zone Development / N. V. Dezhkunov [et al.] // Ultrasonics Sonochemistry. 2018. Vol. 40, No 1. Р. 104–109.Dezhkunov N. V., Franseccutto A., Serpe L., Canaparo R., Cravotto G. (2018) Sonoluminescence and Acoustic Emission Spectra at Different Stages of Cavitation Zone Development. Ultrasonics Sonochemistry. 40 (1), 104–109.Dynamic Behavior of Polymer Microbubbles During Long Ultrasound Tone-Burst Excitation and Its Application for Sonoreperfusion Therapy / Xianghui Chen [et al.] // Ultrasound Med Biol. 2023. Vol. 49. P. 996–1006.Xianghui Chen, Xucai Chen, Jianjun Wang, Francois T. H. Yu, Flordeliza S. Villanueva, John J. Pacella (2023) Dynamic Behavior of Polymer Microbubbles During Long Ultrasound Tone-Burst Excitation and Its Application for Sonoreperfusion Therapy. Ultrasound Med. Biol. 49, 996–1006.Дежкунов, Н. В. Исследование связи звуколюминесценции и ультразвукового капиллярного эффекта / Н. В. Дежкунов, Т. Г. Лейтон // Инженерно-физический журнал. 2004. Т. 77, № 1. С. 45–51.Dezhkunov N. V., Leighton T. G. (2004) Study of the Connection Between Sonoluminescence and Ultrasonic Capillary Effect. Engineering and Physics Journal. 77 (1), 45–51 (in Russian).Кавитация в водных растворах углекислого газа / А. В. Котухов [и др.] // Проблемы физики, математики и техники. 2019. Т. 41, № 4. С. 35–41.Kotukhov А. V., Zharko N. A., Minchuk V. S., Dezhkunov N. V. (2019) Cavitation in Aqueous Solutions of Carbon Dioxide. Problems of Physics, Mathematics and Technics. 41 (4), 35–41 (in Russian).Characterization of Transient Cavitation Activity During Sonochemical Modification of Magnesium Particles / N. Brezhneva [et al.] // Ultrasonics Sonochemistry. 2021. Vol. 70, No 3–4.Brezhneva N., Dezhkunov N. V., Ulasevich S. A., Skorb E. V. (2021) Characterization of Transient Cavitation Activity During Sonochemical Modification of Magnesium Particles. Ultrasonics Sonochemistry. 70 (3–4).Протопович, Е. Л. Противоопухолевая эффективность сонодинамической терапии с фотосенсибилизатором хлоринового ряда в эксперименте / Е. Л. Протопович, Д. А. Церковский // Российский биотерапевтический журнал. 2022. Т. 21, № 1. С. 68–75.Protopovich E. L., Tzerkovsky D. A. (2022) Antitumor Efficiency of Sonodynamic Therapy in Combination with Chlorine-Based Photosensitizer in Experiments. Russian Journal of Biotherapy. 21 (1), 68–75 (in Russian).Физический механизм терапевтического эффекта ультразвука / М. Р. Бэйли [и др.] // Акустический журнал. 2003. Т. 49, № 4. С. 369–388.Bailey M. R., Kargl S. G., Crum L. A., Khokhlova V. A., Sapozhnikov O. A. (2003) Physical Mechanisms of the Therapeutic Effect of Ultrasound. Acoustical Physics. 49 (4), 369–388 (in Russian).Burgess, M. T. Control of Acoustic Cavitation for Efficient Sonoporation with Phase-Shift Nanoemulsions / M. T. Burgess, T. M. Porter // Ultrasound in Medicine and Biology. 2019. Vol. 45, No 3. Р. 846–858. DOI: 10.1016/j.ultrasmedbio.Burgess M. T., Porter T. M. (2019) Control of Acoustic Cavitation for Efficient Sonoporation with Phase-Shift Nanoemulsions. Ultrasound in Medicine and Biology. 45 (3), 846–858. DOI: 10.1016/j.ultrasmedbio.Direct Evidence of Multibubble Sonoluminescence Using Therapeutic Ultrasound and Microbubbles / E. Beguin [et al.] // ACS Appl. Mat. Interfaces. 2019. Vol. 11, No 22. P. 19913–19919.Beguin E., Shrivastava S., Dezhkunov N. V., McHale A. P., Callan J. F., Stride E. (2019) Direct Evidence of Multibubble Sonoluminescence Using Therapeutic Ultrasound and Microbubbles. ACS Appl. Mat. Interfaces. 11 (22), 19913–19919.Insight into Ultrasound-Mediated Reactive Oxygen Species Generation by Various Metal-Porphyrin Complexes / F. Giuntini [et al.] // Free Radic. Biol. Med. 2018. Vol. 121, No 1. P. 109–121.Giuntini F., Foglietta F., Marucco A. M., Troia A., Dezhkunov N. V., Pozzoli A., et al. (2018) Insight into Ultrasound-Mediated Reactive Oxygen Species Generation by Various Metal-Porphyrin Complexes. Free Radic. Biol. Med. 121 (1), 109–121.Влияние импульсного модулирования ультразвукового поля на динамику развития кавитационной области и активность кавитации / Н. В. Дежкунов [и др.] // Доклады БГУИР. 2012. № 2. С. 92–98.Dezhkunov N. V., Kotukhov A. V., Stoler V. A., Koltovich V. A., Nikolaev A. L. (2012) The Influence of Pulse Modulation of an Ultrasound Field on the Dynamics of Cavitation Zone Development and on Cavitation Activity. Doklady BGUIR. (2), 92–98 (in Russian).Комбинированный метод исследования акустической кавитации / А. В. Котухов [и др.] // Доклады БГУИР. 2020. Т. 18, № 4. С. 80–88. http://dx.doi.org/10.35596/1729-7648-2020-18-4-80-88.Kotukhov A. V., Gavrilyuk V. S., Minchuk V. S., Dezhkunov N. V. (2020) Combined Method for Acoustic Cavitation Research. Doklady BGUIR. 18 (4), 80–88. http://dx.doi.org/10.35596/1729-7648-2020-18-4-80-88 (in Russian).Исследование корреляции звуколюминесценции и кавитационного шума в поле фокусирующего излучателя / А. В. Котухов [и др.] // Проблемы физики, математики и техники. 2020. Т. 45, № 4. С. 32–36.Kotukhov A. V., Gavriluk V. S., Zharko N. A., Minchuk V. S., Dezhkunov N. V. (2020) Investigation of the Correlation Between Sound Luminescence and Cavitation Noise in the Field of a Focusing Emitter. Problems of Physics, Mathematics and Technics. 45 (4), 32–36 (in Russian).Наблюдение кавитационного шума без субгармоники / А. В. Котухов [и др.] // Письма в Журнал технической физики. 2023. Т. 49, № 6. С. 39–42.Kotukhov A. V., Efremov D. V., Bannikova I. A., Bayandin Yu. V., Uvarov S. V., Naimark O. B., et al. (2023) Observation of Cavitation Noise Without Subharmonics. Technical Physics Letters. 49 (6), 39–42 (in Russian).Кавитация в импульсных ультразвуковых полях / Н. В. Дежкунов [и др.] // Техническая акустика: разработки, проблемы, перспективы: матер. IV Междунар. науч. конф., г. Витебск, 29–31 марта 2023 г. Минск: ИВЦ Минфина, 2023. С. 149–151.Dezhkunov N. V., Rubanik V. V., Naimark O. B., Minchuk V. S. (2023) Cavitation in Pulsed Ultrasonic Fields. Technical Acoustics: Developments, Problems, Prospects, Materials of the IV International Scientific Conference, Vitebsk, March 29–31. Minsk, Information and Computing Center of the Ministry of Finance of the Republic of Belarus. 149–151 (in Russian).Звуколюминесценция и спектральные характеристики кавитационного шума в фокусированном ультразвуковом поле / В. С. Гаврилюк [и др.] // Сб. тр. 34-й сессии Рос. акуст. общ., г. Москва, 14–18 февраля 2022 г. М.: ГЕОС, 2022. С. 1073–1080.Gavrilyuk V. S., Minchuk V. S., Zharko N. A., Nikolaev A. L., Dezhkunov N. V. (2022) Sonoluminescence and Spectral Characteristics of Cavitation Noise in a Focused Ultrasonic Field. Collection of Proceedings of the 34th Session of the Russian Acoustical Society, Moscow, Febr. 14–18. Moscow, GEOS Publ. 1073–1080 (in Russian).Дежкунов, Н. В. Связь порога кавитации и максимальной интенсивности звуколюминесценции / Н. В. Дежкунов // Письма в Журнал технической физики. 2008. Т. 34, № 8. С. 59–67.Dezhkunov N. V. (2008) Relationship Between the Cavitation Threshold and the Maximum Dose of Sonoluminescence. Technical Physics Letters. 34 (8), 59–67 (in Russian).Анализ механизма генерирования непрерывной составляющей кавитационного шума / Н. В. Дежкунов [и др.] // Письма в Журнал технической физики. 2024. Т. 50, № 6. С. 7–10.Dezhkunov N. V., Minchuk V. S., Uvarov S. V., Kurlyuk E. A. (2024) Analysis of the Mechanism for Generating a Continuous Component of Cavitation Noise. Letters to the Technical Physics. 50 (6), 7–10 (in Russian).Исследование взаимной корреляции спектральных составляющих кавитационного шума / В. С. Минчук [и др.] // Проблемы физики, математики и техники. 2023. Т. 56, № 3. С. 69–74.Minchuk V. S., Perkhunova A. Yu., Gavrilyuk V. A., Dezhkunov N. V. (2023) Investigation of the Cross-Correlation of Spectral Components of Cavitation Noise. Problems of Physics, Mathematics and Technics. 56 (3), 69–74 (in Russian).Сравнение методов оценки активности кавитации / Н. А. Жарко [и др.] // Техническая акустика: разработки, проблемы, перспективы: матер. IV Междунар. науч. конф., г. Витебск, 29–31 марта 2023 г. Минск: ИВЦ Минфина, 2023. С. 88–90.Zharko N. A., Minchuk V. S., Nikolaev A. L., Dezhkunov N. V. (2023) Comparison of Methods for Assessing Cavitation Activity. Technical Acoustics: Developments, Problems, Prospects, Materials of the IV International Scientific Conference, Vitebsk, March 29–31. Minsk, Information and Computing Center of the Ministry of Finance of the Republic of Belarus. 88–90 (in Russian).Механизмы усиления звуколюминесценции во взаимодействующих ультразвуковых полях / А. В. Котухов [и др.] // Сб. тр. 34-й сессии Рос. акуст. общ., г. Москва, 14–18 февраля 2022 г. М.: ГЕОС. С. 1005–1010.Kotukhov A. V., Minchuk V. S., Perkhunova A. Yu., Nikolaev A. L., Dezhkunov N. V. (2022) Mechanisms of Amplification of Sonoluminescence in Interacting Ultrasonic Fields. Collection of Proceedings of the 34th Session of the Russian Acoustical Society, Moscow, Febr. 14–18. Moscow, GEOS Publ. 1073–1080 (in Russian).Дежкунов, Н. В. Механизмы усиления звуколюминесценции при взаимодействии сильно различающихся по частоте ультразвуковых полей / Н. В. Дежкунов // Сборник «Двадцать конкурсных лет». Минск: Белар. навука, 2012. С 133–146.Dezhkunov N. V. (2012) Mechanisms of Amplification of Sonoluminescence During the Interaction of Ultrasonic Fields of Very Different Frequencies. Collection “Twenty Competitive Years”. Minsk, Belaruskaya Navuka Publ. 133–146 (in Russian).Cavitation [Электронный ресурс] // Исследования, технологии приборы, оборудование. Режим доступа: https://cavitation.bsuir.by/ru/kavitometr. Дата доступа: 11.02.2024.Cavitation (2024) Research, Technology, Devices, Equipment. Available: https://cavitation.bsuir.by/ru/kavitometr (Accessed 11 February 2024).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.