Инновационный метод исследования акустической кавитации

В настоящее время сфера применений мощного ультразвука интенсивно расширяется, продолжается совершенствование оборудования и технологических процессов. При этом ключевым фактором воздействия ультразвуковых колебаний на процессы в жидкостях и жидкообразных средах является кавитация – явление образования, пульсации и захлопывания микропузырьков газа под действием переменного давления. Широкое внедрение перспективных ультразвуковых технологий в значительной мере сдерживается тем, что закономерности генерирования кавитации изучены недостаточно, а известные в литературе данные противоречивы и характеризуются низкой воспроизводимостью. В данной работе приводится описание инновационного метода исследования ультразвуковой кавитации. С целью повышения воспроизводимости результатов и достоверности выводов о корреляции различных кавитационных эффектов предложено регистрировать одновременно параметры, характеризующие эти эффекты. Разработана и апробирована установка, предназначенная для реализации данного метода. Установка обеспечивает возможность регистрации полного выходного сигнала гидрофона, интенсивности свечения, генерируемого в кавитационной области – звуколюминесценции, спектра кавитационного шума и отдельных его составляющих. Технические характеристики установки позволяют регулировать скорость развития кавитационной области путем варьирования длительности и периода следования импульсов ультразвука и проводить измерения в низкочастотных (НЧ), высокочастотных (ВЧ) и взаимодействующих ВЧ и НЧ ультразвуковых полях. В ходе испытаний установки получены результаты, представляющие значительный интерес с точки зрения уточнения представлений о механизме генерирования кавитационных эффектов. Установлено, что предварительная обработка жидкости в ультразвуковом поле с целью ее дегазации в течение 15–20 мин обеспечивает значительное повышение воспроизводимости измерений, особенно для жидкостей с высоким газосодержанием. На основании сопоставления результатов синхронной регистрации сигналов датчика кавитации и фотоумножителя показано, что кавитационная область после включения ультразвука проходит четыре стадии развития, различающиеся динамикой изменения интенсивности звуколюминесценции и составом регистрируемых при этом спектров кавитационного шума. Сделан вывод о возможности идентификации стадий развития кавитационной области по спектрам кавитационного шума.

ультразвук, кавитация, звуколюминесценция, кавитационный шум

1. Голямина И.П. Ультразвук: маленькая энциклопедия. Москва: Советская энциклопедия; 1979.

2. Новицкий Б.Г. Применение акустических колебаний в химико-технологических процессах. Москва: Химия; 1983.

3. Абрамов В.О., Приходько М.В. Мощный ультразвук в металлургии и машиностроении. Москва: Русавиа; 2006.

4. Guimarães J.T., Balthazar C.F., Scudino H., Cruz A.G. High-intensity ultrasound: A novel technology for the development of probiotic and prebiotic dairy products. Ultrasonics Sonochemistry. 2019;57:12-21. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2019.05.004.

5. Кушнер Л.К., Кузьмар И.И., Хмыль А.А., Дежкунов Н.В. Электроосаждение нанокомпозиционных никелевых покрытий при воздействии интенсифицирующих факторов. Международный журнал. Специальный выпуск: фуллерены и наноструктуры в конденсированных средах. 2019;10:355-363.

6. Chemat F., Rombaut N., Sicaire A.G, Meullemiestre A., Fabiano-Tixier A.S., Abert-Vian M. Ultrasound assisted extraction of food and natural products Mechanisms, techniques, combinations, protocols and applications. A review. Ultrasonics Sonochemistry. 2017;34:540-556. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2016.06.035.

7. Жулай Ю.А., Скосарь В.Ю. Кавитация как средство интенсификации технологических процессов. Опыт применения и перспективы (обзор). Авиационно-космическая техника и технология. 2013;8/105:7-15.

8. Mason T.J. Therapeutic ultrasound an overview. Ultrasonics Sonochemistry. 2011;18:847-852. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2011.01.004.

9. Сиротюк М. Г. Акустическая кавитация. Москва: Наука; 2008.

10. Leighton T.G. Acoustic Bubble. London: Pergamon Press; 1995.

11. Dezhkunov N.V., Francescutto A., Serpe L., Canaparo R., Cravotto G. Sonoluminescence and acoustic emission spectra at different stages of cavitation zone development. Ultrasonics Sonochemistry. 2018;40:104-109 DOI: 10.1016/j.ultsonch.2017.04.004.