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超声波的空化原理与空化效应的其清洗作用

分类:行业动态 338

超声波空化是功率超声波在液体媒质中引起的一种特有的物理过程,由它而引起的多种空化效应,在超声波清洗机理中起决定性作用。

一、空化产生的原因

空化产生的原因

超声波是一种疏密交替的纵波,超声波在液体中传播时能使液体质点出现稀疏状态和密集状态,在密集状念区,液体质点承受正压力,而在稀疏状态区则承受拉力。当拉力超过液体质点间相互引力(静压力)时,原本密集的质点会被拉力撕开一个空洞,形成真空空穴,此时溶解在液体中的气体会瞬间进入空穴形成气泡。而当稀疏状态区转变为密集状态区时,气泡又被绝热压缩,并挤压崩塌。这种过程在超声场中周而复始,循环不断,真空气泡也就不断地产生、长大、崩塌、消失,我们把这种现象称为空化。

声强与空化阈值

超声波清洗的空化作用与其声强有关,如果声强达不到一定的值,就不能发生空化作用。使液体产生空化所需的最低声压或声强,称为空化阈值。在液体中只有交变声压超过静压时才出现负压,而负压要超过液休的强度时才产生空穴,也就是说,声强要高于空化阈值才能产生空穴,只有超声能大于空化阈值才能有空化效应。声压强度越高,也即功率密度越大,空化效应也越明显。但是,功率密度也不是越大越好。功率密度过大会产生大量的无用气泡,增加了散射衰减,形成声屏障,削弱了远离声源处的清洗效果,而且有可能对工件表面产生空化腐蚀。

空穴的类型

空穴分为气体性空穴和蒸汽性空穴,气体性空穴是以液体中溶解气体形成气泡,气泡随超声波震荡而成长,溶解气体浓度越高,这类空穴发生临界值较低,它在溃灭时所产生的冲击波压力也相对较小。

蒸汽性空穴,是液体媒质随超声波所获得的能量,以饱和蒸汽呈现,并不依赖于液体中的溶解气体,而是在超声波形成附加负压之际产生的蒸汽性真空泡,产生这种真空泡所必须的声压临界值要比气体性空穴的大10倍以上,其冲击压力极高,因此可以产生很好的清洗力。

二、空化效应及其清洗作用

在超声空化的液态声场中,真空气泡急速崩塌的周围会产生高温、高压、发光、放电、冲击波等系列物理化学效应,统称为空化效应。

1、气泡内部的物理化学效应

真空气泡经过猛烈地爆破崩塌,气泡内部瞬时温度大于5000K,压力大于50MPa。空化泡内产生的高温、高压,可以将泡内水蒸气中的水分子分解为·H和·OH自由基,以及由OH结合成的H2O2 ,H2O2是强氧化剂,,以直接氧化水中的有机体、聚合物,常规条件下难以发生的化学反应得以完成。

空化泡溃灭时产生的高温高压超过了水的临界点(Tc=374℃,Pc=22MPa),也使空化泡内有瞬态超临界水存在,并发生超临界水氧化反应。超临界水被认为是氧化有机物的良好介质,可以去除绝大部分水中的有机污染物。

2、气泡外部的物理化学效应

真空气泡经过猛烈地爆破崩塌,在瞬间还会产生强烈的向外辐射的冲击波,其波速可几倍于声速。这种强大的冲击波会使液体的结构发生变化,能破坏不溶性污染物,使其快速粉碎并分散在清洗媒质中。

在液态媒质超声场中,超声波的工作频率是多少,就伴随着同频每秒数千次以上的强大的冲击波,它作用于工件表面的污染物,一方面破坏污沈物与工件表面的吸附,另一方面也会引起污染层的疲劳破坏,使其从工件表面脱落,如果附着层中有微小的缝隙存在,空化气泡也可以“钻入”裂缝中发生作用,使附着层被剥离。

这种强大的冲击波作用于油污等污染层,由于超声波空化的乳化作用,清洗液与油污两种液体在界面处产生水包油型乳化,污染物将随乳状液进入清洗液中,它同时作用于脱落下来的污染物和清洗液中的微生物、细菌、大分子团等,可使其粉碎、降解、分散。

3、气泡对工件表面的擦洗作用

空化产生的气泡,在振动中对工件表面有擦洗作用。污物层一旦有缝隙可钻,气泡立即钻入其内振动,这种擦洗对盲孔,缝隙以及一般难以清洗的地方可以清洗得非常干净。

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