Исследование акустической кавитации: результаты, практическая реализация и перспективы развития

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.

1. Сиротюк, М. Г. Акустическая кавитация / М. Г. Сиротюк. М.: Наука, 2008.

2. Brenner, M. P. Single-Bubble Sonoluminescence / M. P. Brenner, S. Hilgenfeldt, D. Lohse // Rev. Mod. Phys. 2002. Vol. 74. Р. 65–144.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. Кавитация в водных растворах углекислого газа / А. В. Котухов [и др.] // Проблемы физики, математики и техники. 2019. Т. 41, № 4. С. 35–41.

7. Characterization of Transient Cavitation Activity During Sonochemical Modification of Magnesium Particles / N. Brezhneva [et al.] // Ultrasonics Sonochemistry. 2021. Vol. 70, No 3–4.

8. 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.

9. Физический механизм терапевтического эффекта ультразвука / М. Р. Бэйли [и др.] // Акустический журнал. 2003. Т. 49, № 4. С. 369–388.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. Наблюдение кавитационного шума без субгармоники / А. В. Котухов [и др.] // Письма в Журнал технической физики. 2023. Т. 49, № 6. С. 39–42.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. Анализ механизма генерирования непрерывной составляющей кавитационного шума / Н. В. Дежкунов [и др.] // Письма в Журнал технической физики. 2024. Т. 50, № 6. С. 7–10.

21. Исследование взаимной корреляции спектральных составляющих кавитационного шума / В. С. Минчук [и др.] // Проблемы физики, математики и техники. 2023. Т. 56, № 3. С. 69–74.

22. 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.

23. 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.

24. 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.

25. Cavitation [Электронный ресурс] // Исследования, технологии приборы, оборудование. Режим доступа: https://cavitation.bsuir.by/ru/kavitometr. Дата доступа: 11.02.2024.