严导淦

（同济大学物理科学与工程学院，上海 200092）

强声波尤其是超声波通过液体介质时，产生一种极为重要的空化作用.实验表明，当液体中有超声波在作用时，液体中往往出现大量可见的气泡，这仅是超声的去气效应，而并非真正的空化作用.当声强增大时，液体中涌现雾流，这是由一些肉眼难以观察的含气空穴所组成的.当声强再增大时，又会出现一种新的现象，会听到小的爆裂声，暗室内还可以看到发光现象，这是由于极小的含有稀薄蒸气的空穴的崩溃所引起的，上述两种现象统称为声致空化现象.

我们知道，液体是能承受压缩的，但经受不起拉伸.当超声波通过液体介质时，使液体介质不断受到压缩和拉伸.如果拉力足以破坏分子的内聚力，液体就会断裂而形成几乎真空的空穴；而到压缩阶段，这空穴发生崩溃.崩溃时，空穴内部压强可达几万个大气压，空穴附近则形成强烈的冲击波，其压强最大可达几千大气压，同时，由于液体的破裂和压强的突变，产生了局部高温，并引起电离，因之还有放电、发光等现象出现.这就是空化作用.

声致空化的产生有赖于液体中有小气泡的存在.事实上，液体内部总有大量的极微小的固体悬浮粒子吸附着少量的气体或蒸气；液、固边界面处的小裂缝内也可停留住少量微小的气泡，这些固体悬浮粒子或固体边界面处的残留气泡通常称为空化核.如果是理想的纯液体，则使液体破裂的拉应力是很大的，相应的压强需达103大气压的数量级；而在空化核处由于存在着液体结构的弱点，仅需较小的拉应力就可破裂.随着空化核的性质、液体介质的性质、超声的频率以及静压、温度等等因素的不同，使液体破裂的最小应力，其压强约自十分之几大气压直至上百个大气压.超声波声压的负值超出静压的数值足够提供这个拉应力，因此，就可以使液体断裂而形成空穴，由于空化核的存在，这样形成的空穴中总是含有少量的气体或蒸气，内部不可能是完全真空的，空化发光的光谱可证明就是这些气体或蒸气在发光.

相应于每一个超声频率，这些含气或蒸气的气泡，存在着一个能与之发生共振的气泡半径R0.按照气泡的弹性振动理论可知，其本征频率为［1］

于是，式（1）可写成

由此可以求出与超声频率共振的气泡半径R0为

根据式（5）计算，在水中与频率为1MHz的超声波共振的气泡半径R0约为几个微米，而20kHz时的R0约为几十微米.

只有原始尺寸小于R0的空化核才能在拉伸阶段达到共振半径而强烈振荡，再在压缩阶段由于体积突然减小而发生崩溃.

由于频率越高时，相应的R0越小，能够发生崩溃的空穴数目亦随之减少.因此，要产生高频的空化也较难.但理论上可以证明，原始尺寸越小的空穴，崩溃时的激烈程度越大，这又是高频时的空化的特殊优点.如果从获得空化的经济效果来看，则显然用低频比较适宜，但为了避免强烈的振耳的声音起见，一般用15 000Hz以上的频率.我们把普通水在室温时各种频率所需产生空化作用的最小 声 强，称 为 空 化 阈［2］.实 验 表 明，频 率 在5MHz时，空化阈的声强将几乎达到105W/cm2，声压将达到上百个大气压，颇不经济.因此，一般在超声处理应用中利用空化作用时，频率的上限约为1MHz左右.

研究指出，当脉冲超声波通过液体时，脉冲的持续时间越短，空化阈就越大；而当连续超声波通过液体时，空化阈就越小.这是由于空穴的成长和崩溃都需要有一定的时间.

当超声波在液体介质中产生空化作用时，由于空化气泡的存在，将使声能的散射和吸收大大增加，而降低了传声性能，因此在传递声能的场合，例如在超声检测应用中，就要求设法避免空化作用的产生.

在空化作用中，当空穴崩溃时，空穴附近的液体中所受到的作用，主要是以空穴为中心辐射出来的冲击波.冲击波的压强可达上千个大气压，这就大大增强了超声的机械作用，所有超声的击碎、搅拌、混合、乳化、扩散、渗透等等的效应只要是在液体中进行时，都因空化作用的存在而效果显著提高.此外，在气泡共振以后直到崩溃为止，由于液体的破裂，气泡内部压强的突变，如前所述，还会引起电离、发光、局部高压高温等现象，这将促进大量的化学反应.

空化作用对液体中的超声凝聚则有显著的破坏作用，因此液体中超声凝聚技术往往利用驻波，而且用较高的频率，使得超声虽然很强而空化却不发生.

空化作用是液体介质中的特殊现象，由于空化作用的效果显著，使得液体中的超声处理技术卓有成效.

［1］金泽里，札叶兹德尼.声学基础.第三章［M］.北京：高等教育出版社，1955.

［2］Bergmann，L..Der ultraschall und seine anwendung in wissenschaft und technik.1966：JW Edwards.

［3］实吉纯一，菊池喜充，能本乙彦，等.超声波技术便览［M］.日刊工业新闻社，1960.