КАВИТАЦИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН В ЖИДКОСТЯХ

Аннотация

По своей физической природе ультразвук представляет собой упругие волны и в этом он не отличается от звука. Частотная граница между звуковыми и ультразвуковыми волнами поэтому условна. Она определяется субъективными свойствами человеческого слуха и соответствует усреднённой верхней границе слышимого звука. Однако благодаря более высоким частотам и, следовательно, малым длинам волн имеет место ряд особенностей распространения. Совокупность уплотнений и разрежений, сопровождающая распространение ультразвуковой волны, представляет собой своеобразную решётку, дифракцию световых волн на которой можно наблюдать в оптически прозрачных телах. Малая длина ультразвуковых волн является основой для того, чтобы рассматривать их распространение в ряде случаев методами геометрической акустики. Ключевые слова: Ультразвук, кавитация, упругие волны, акустика, релаксация, уплотнения, разрежений, фокусировка звука, скорость, частота, нелинейной акустики, фононы, квазичастицы. По физический сущности ультразвук (УЗ) не отличается от звука и представляет собой механическую волну. При её распространении образуются чередующиеся участки сгущения и разряжения частиц среды. Скорость распространения УЗ и звука в средах одинаковы (в воздухе -330 м/с при 00С, в воде и мягких тканях -1500 м/с). Однако высокая интенсивность и малая длина УЗ - волн порождают ряд с специфических особенностей. При распространении УЗ в веществе происходит необратимый переход энергии звуковой волны в Выпуск журнала №-18 Часть–4_ Январь –2025 311 MODERN EDUCATION AND DEVELOPMENT другие виды энергии, в основном в теплоту. Это явление называется поглощением звука. Ультразвук - это упругие колебания и волны с частотами приблизительно от 20 кГц и до 1 ГГц (109 Гц ). Область частот от 109 до 1012-13 Гц принято называть гиперзвуком. Область частот ультразвука можно подразделить на три подобласти: Ультразвук низких частот (1,5 104 -105) Гц — УНЧ, * Ультразвук средних частот (105 - 107) Гц — УСЧ Ультразвук высоких частот (107 - 109) Гц — УЗВЧ. Каждая из этих подобластей характеризуется своими специфическими особенностями генерации, приёма, распространения и применения. Частотная граница между звуковыми и ультразвуковыми волнами поэтому условна; она определяется субъективными свойствами человеческого слуха и соответствует усреднённой верхней границе слышимого звука. Так, для УЗВЧ длины волн в воздухе составляют (3,4 10-3-3,4 10-5 )см, в воде (1,5 10-2-1,5 10-4) см. * * * * Ультразвук в газах и, в частности, в воздухе распространяется с большим затуханием. Жидкости и твёрдые тела (в особенности монокристаллы) представляют собой, как правило, хорошие проводники ультразвука, затухание в которых значительно меньше. Так, например, в воде затухание ультразвука при прочих равных условиях приблизительно в 1000 раз меньше, чем в воздухе. Поэтому области использования УСЧ и УЗВЧ относятся почти исключительно к жидкостям и твёрдым телам, а в воздухе и газах применяют только УНЧ. Ввиду малой длины волны ультразвука на характере его распространения сказывается молекулярная структура среды, поэтому, измеряя скорость ультразвука ϑ и коэффициент поглощения α, можно судить о молекулярных свойствах вещества. Этими вопросами занимается молекулярная акустика. Характерная особенность распространения ультразвука в газах и жидкостях - существование отчётливо выраженных областей дисперсии, сопровождаю-щейся резким возрастанием его поглощения. Коэффициент поглощения ультразвука в ряде жидкостей существенно превосходит Выпуск журнала №-18 Часть–4_ Январь –2025 312 MODERN EDUCATION AND DEVELOPMENT рассчитанный по классической теории и не обнаруживает предсказанного этой теорией увеличения, пропорционального квадрату частоты. Все эти эффекты находят объяснение в релаксационной теории, которая описывает распространение ультразвука в любых средах и является теоретической базой современной молекулярной акустики, а основной экспериментальный метод - измерение зависимости скорости распространения и особенно ⍴ (плотность) от частоты и от внешних условий (температуры, давления и др.). Совокупность уплотнений и разрежений, сопровождающая распространение ультразвуковой волны, представляет собой своеобразную решётку, дифракцию световых волн на которой можно наблюдать в оптически прозрачных телах. Малая длина ультразвуковых волн является основой для того, чтобы рассматривать их распространение в ряде случаев методами геометрической акустики. Физически это приводит к лучевой картине распространения. Отсюда вытекают такие свойства ультразвука, как возможность геометрического отражения и преломления, а также фокусировки звука (рис.1). (рис.1) Следующая важная особенность ультразвука -это возможность получения большой интенсивности даже при сравнительно небольших амплитудах колебаний, так как при данной амплитуде плотность потока энергии пропорциональна квадрату частоты. Ультразвуковые волны большой интенсивности сопровождаются рядом специфических эффектов, которые Выпуск журнала №-18 Часть–4_ Январь –2025 313 MO