Кавитация (от лат. Cavitas – пустота), образование в капельной жидкости полостей, заполненных газом, паром или их смесью. Кавитационные пузырьки образуются в тех местах, где давление в жидкости становится ниже некоторого критического значения p_кр (в реальной жидкости p_кр приблизительно равно давлению насыщенного пара этой жидкости при данной температуре). Если понижение давления происходит вследствие больших местных скоростей в потоке движущейся капельной жидкости, то кавитация называется гидродинамической, а если вследствие прохождения звуковых волн большой интенсивности – акустической.
При излучении в жидкость интенсивной звуковой волны с амплитудой звукового давления, превосходящей некоторую пороговую величину, во время полупериодов разрежения возникают кавитационные пузырьки на так называемых кавитационных зародышах, которыми чаще всего являются газовые включения, содержащиеся в жидкости и на колеблющейся поверхности акустического излучателя. Поэтому кавитационный порог повышается по мере снижения повышения газа в жидкости, при увеличении гидростатического давления, после обжатия жидкости высоким (~10³ кгс/см² = 10⁸ Па) гидростатическим давлением и при охлаждении жидкости, а кроме того при увеличении частоты звука и при сокращении продолжительности озвучивания. Порог для бегущей волны выше, чем для стоячей. Пузырьки захлопываются во время полупериодов сжатия, создавая кратковременные (длительностью ~10^-6 с) импульсы давления (до 10⁸ Па и более), способные разрушить даже весьма прочные материалы. Такое разрушение наблюдается на поверхности мощных акустических излучателей, работающих в жидкости.
Захлопывание кавитационных пузырьков сопровождается адиабатическим нагревом газа в пузырьках до температуры ~10⁴ С, чем по-видимому, и вызывается свечение пузырьков при кавитации (например, звуколюминесценция). Кавитация сопровождается ионизацией газа в пузырьках. Пузырьки группируются, образуя кавитационную область сложной и изменчивой формы. Интенсивность кавитации удобно оценивать по разрушению тонкой алюминиевой фольги, в которой кавитирующие пузырьки пробивают отверстия.
Если жидкость насыщена газом, то газ диффундирует в пузырьки и полного захлопывания их не происходит. Всплывая, такие пузырьки уносят газ и уменьшают содержание его в жидкости. Интенсивные колебания под действием звуковой волны газонаполненных пузырьков как в свободной жидкости, так и вблизи поверхности твердых тел создают микропотоки жидкости.

***

 

Кавитация – образование в жидкости полостей, заполненных газом, паром или их смесью (кавитационные пузырьки или каверны) вследствие создания в жидкости пониженного давления, приводящего к растягивающим напряжениям и, как следствие, разрыву сплошности жидкости.
Различают гидродинамическую и акустическую кавитацию.
Акустическая кавитация связана с излучением в жидкость звука с амплитудой звукового давления, превосходящей некоторую пороговую величину. В полупериоды разрежения акустического воздействия возникают кавитационные пузырьки, которые захлопываются в полупериоды сжатия
Обычно для возникновения кавитации необходимо, чтобы понижение давления превысило некоторый критический уровень Р_кр. Теоретически прочность жидкостей к растягивающим напряжениям весьма велика. Например, для образования в воде полости с радиусом r порядка кинетического радиуса молекулы воды (≈10^-8см), теоретически необходимо создать отрицательное давление порядка 2σ/r ≈ 1,5 · 10⁹ Па. Однако экспериментальные исследования показали, что прочность реальных жидкостей на разрыв на 3÷4 порядка ниже теоретического значения. Объясняется этот факт присутствием в жидкости различных неоднородностей, нарушающих ее сплошность, главным образом микроскопических пузырьков, которые являются зародышами кавитации.
Другой тип кавитационных зародышей – микроскопические твердые частицы, в большом количестве присутствующие в жидкости, и содержащие адсорбированные газы. Даже в очищенных жидкостях находят большое количество микроскопических частиц. Так, в экспериментах Института гидродинамики было обнаружено, что в дистиллированной воде содержится порядка 10³÷10⁴ частиц и пузырьков микронных размеров в одном кубическом сантиметре, примерно в 10 раз меньше частиц десятимикронных размеров, и до 10 частиц размером более 100 мкм. Частицы были обнаружены и измерены косвенным способом, путем регистрации индикатрисы рассеяния и выявления максимумов и минимумов рассеяния на определенные углы. Эти эксперименты показали, что количество частиц оставалось неизменным при хранении жидкости, по крайней мере, в течение полугода.
В этой связи можно предположить, что и в изоляционных жидкостях следует ожидать наличия микрочастиц и микропузырьков. Класс чистоты жидкости по твердым примесям регламентируется ГОСТ. В соответствии с этим стандартом в наиболее чистой жидкости допускается хх частиц размером 5-10 мкм, ххч частиц размером 10-25 мкм, ххх частиц размером 50-75 мкм. Количество частиц и их распределение является одним из основных показателей изоляционной жидкости. Причем в процессе эксплуатации количество частиц увеличивается.
 

Появление кавитации ограничивает возможность дальнейшего повышения интенсивности звука, излучаемого в жидкость, вследствие уменьшения её волнового сопротивления и соответствующего снижения нагрузки на излучатель. Акустическая кавитация и связанные с ней физические явления вызывают ряд эффектов. Часть из них, например разрушение и диспергирование твёрдых тел, эмульгирование жидкостей, очистка поверхностей, деталей, обязана своим происхождением ударам при захлопывании пузырьков и микропотокам вблизи них. Другие эффекты (например, инициирование и ускорение химических реакций) связаны с ионизацией газа в пузырьках. Благодаря этим эффектам акустическая кавитация всё шире используется для создания новых и совершенствования известных технологических процессов. Большое число практических применений ультразвука основано на эффекте кавитации.
Акустическая кавитация имеет большое значение в биологии и медицине. Импульсы давления, возникающие в кавитационных пузырьках, обусловливают мгновенные разрывы микроорганизмов и простейших, находящихся в водной среде, подвергаемой действию ультразвука. Кавитацию используют для выделения из животных и растительных клеток ферментов, гормонов и других биологически активных веществ.