1 超声波作用机理
1.1 声化学
所谓声化学,主要是指利用超声波来加速化学反应或开启新的反应通道,以提高化学反应率或获取新的化学反应物。声化学反应不是来自声波与物质分子的直接作用,因为在液体中常用的声波波长为10cm~0.015cm(对应的声波频率为10kHz~10MHz)远大于分子尺度。声化学的主动力是超声空化。
在物理学上,超声空化是液体中气泡在声场作用下所发生的一系列动力学过程。当在溶液中施加超声波时,超声波将引起媒质分子以其平衡位置为中心的振动。在超声波压缩相内,分子间的平均距离减小;而在稀疏相内,分子间距将增大。对于强度为I的声波,它作用于媒介的声压为Pa=PA sinωt,PA为声压振幅,ω为超声波的角频率,且I=P2A/2ρc,ρ、c分别为媒质的密度及声速。因此,在超声波的负压相(即稀疏相)内,媒质受到的作用力为(Ph-Pa),Ph为流体静压力。倘若声强足够大,使液体受到的相应负压力亦足够强,那么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,导致出现空腔或空穴。一旦空穴形成,它将一直增长至负声压达到极大值(-Pa)。其结果是一些空化泡将相继进入持续振荡;而另外一些空化泡将完全崩溃,并伴随着高温,高压和冲击波产生,即超声空化。崩溃瞬间在气泡及其周围微小空间内出现“热点”,形成高温高压区,温度达5000K以上,压力达50.7MPa以上,温
度的时间变化率达10 9K/s,并伴有强大的冲击波和时速达400km的射流以及放电发光过程。这就为促进或开启化学反应造成了一个极端的物理环境。