超声波引发的空穴效应及其物理化学变化

介质的一切质点都是以弹性力相互联系的，某质点在介质内的振动，能激起周围质点的振动，振动在弹性介质中的传播过程称为波。声波是一种能在气体、液体、固体中传播的弹性波，它可分为次声波、可闻声波及超声波。

1.超声波　超声波是频率在2×104～2×109Hz的声波，是高于正常人类听觉范围的弹性机械振动。声波的振动可用风力、水力、电磁、压电等专门高频发生器发生。声波的频率越高，越与光学的某些特性相似。与电磁波相同，它可以被聚焦、反射和折射，超声波与电磁波又不完全相同，超声波在传播时，需要具有弹性介质，光波和其他类型的电磁辐射可以自由地通过真空，而超声波却不能。超声波传播时，弹性介质中的粒子产生摆动，并沿传播方向传递能量，超声波因波长短而具有束射性强和通过聚焦而集中能量的特点。在液体介质中，常用的超声波波长为10～0.015cm（对应15Hz～10MHz），远大于分子尺度。因此，超声波在染色体系中对染浴和纤维作用的物理和化学实质，在于声波能传送大量的能量。它的作用不是来自声波与物质分子的直接相互作用，而是源于空穴效应，即液体中空腔的形成，振荡、生长、收缩、崩溃及其引发的物理化学变化。

2.空穴效应及其影响因素　超声波在气体介质中既可以纵波方式传播，也可以横波方式传播；超声波在液体介质中只能以纵波方式传播，从而产生交变的压缩相和稀疏相。在声波的压缩相内，分子的平均距离减小，而在稀疏相内，分子间距离增大。倘若声波足够强，使液体受到的相应负压力亦足够强，分子间的平均距离就会增大到超过极限距离，从而破坏液体结构的完整性，导致出现空穴，在相继而来的声波正压相内，另外一些空穴泡将完全崩溃，进而产生空穴效应，即声空穴。所谓声空穴过程是集中声场的能量并迅速释放的过程。空穴泡崩溃时，极短的时间内在空穴泡周围的极小空间内，产生5000K以上的高温和大约5×107Pa的高压。温度变化率可达109K／s，并伴有强烈的冲击波和时速达400km的射流。附着在固体上的杂质、微尘或容器表面及细缝中的微气泡或气泡，或因结构不均匀造成液体内抗张强度减弱的微小区域中析出的溶解气体都可以构成这种微小的泡核，它们在超声波的作用下被激活，表现为泡核的振荡、生长、收缩及崩溃等一系列的动力学过程，从而产生超声空穴效应。空穴效应是超声波作用独特的地方，也是引发和决定超声波所有作用结果的最基本作用。

空穴效应是一个极其复杂的物理现象，它是超声波技术应用中的一个十分重要的研究课题。近一个世纪以来，人们对它的研究兴趣与热情经久不衰，直到目前，人们对空穴现象的认识还有待于进一步完善。但不难发现，研究超声空穴效应现象时要涉及诸如液体、声场及环境等多方面条件因素，描述这些条件的许多有关的物理参数都会影响到空穴的过程，如成核和空穴泡的振动、生长及崩溃。这些参数对空穴过程的影响因素主要有黏滞系数（η）、表面张力系数（δ）、蒸汽压（P）、温度（T）、液体中含气体的种类与数量、超声频率（f）、环境压力（Ph）的影响等。(www.xing528.com)

以上各种因素对空穴效应的影响见表9-1。

表9-1　各种因素对空穴效应的影响