Ультразвук – упругие волны с частотой приблизительно от 20000 до нескольких миллиардов герц. Ультразвук человеческим ухом не воспринимаются.

Важным прикладным направлением акустики является активное воздействие ультразвуком высокой интенсивности на вещество. При этом в жидкости развивается мощный кавитационный процесс (образование множества пузырьков, или каверн, которые при повышении давления схлопываются), вызывая существенные изменения физических и химических свойств среды. Схлопывание пузырьков сопровождается мощным гидродинамическим возмущением и сильным локальным разогревом вещества, в результате чего разрушается поверхность тела, находящегося в области кавитации.

Кавитация – образование газовых пузырьков в жидкости. Термин был введен около 1894 г. британским инженером Р.Фрудом. Если давление в какой-либо точке жидкости становится равным давлению насыщенного пара этой жидкости, то жидкость в этом месте испаряется и образуется паровой пузырек. Примером может служить кипение воды. При нагревании воды давление ее насыщенного пара повышается. Когда достигается температура кипения, давление пара становится равным давлению окружающей среды, и в воде появляются паровые пузырьки.

Паровые пузырьки в жидкости легче образуются при пониженном давлении. Когда же давление окружающей среды становится больше давления насыщенного пара жидкости, кавитационный пузырек с силой схлопывается. Такое схлопывание пузырьков создает шум, вызывает вибрацию и повреждения конструкций, неблагоприятно отражается на работе соответствующих машин и механизмов. Местное понижение давления в жидкости происходит при быстром относительном движении тела и жидкости.

Важной технологической проблемой является очистка поверхности металла или стекла от мельчайших посторонних частиц, жировых пленок и других видов загрязнения. Там, где слишком трудоемка ручная очистка или необходима особая степень чистоты поверхности, применяется ультразвук. В кавитирующую омывающую жидкость вводится мощное ультразвуковое излучение (создающее переменные ускорения с частотой до 10⁶ Гц), и схлопывающиеся кавитационные пузырьки срывают с обрабатываемой поверхности нежелательные частицы.

В настоящее время считается, что нагрев воды происходит следующим образом:

* При быстром сжатии кавитационного пузырька, пары воды испытывают процесс, близкий к адиабатическому сжатию. При этом, поскольку радиус пузырька может уменьшиться в десятки раз, вполне возможен нагрев паров воды на порядок, т. е. до нескольких тысяч кельвинов.

* Известно, что эффективность нагрева при адиабатическом процессе определяется показателем адиабаты, который в свою очередь, сильно зависит от того, сколько атомный газ мы рассматриваем. Наиболее эффективно нагревание для одноатомных газов, так что даже небольшие примеси инертных газов в воде способны заметно повлиять на эффективность нагрева.

* Зависимость яркости сонолюминесценции от температуры воды определяется балансом между парами воды и инертных газов внутри пузырька. При понижении температуры воды летучесть паров инертных газов почти не меняется, в то время как давление насыщенных паров воды резко падает. Это приводит к лучшему нагреву паров при сжатии пузырька.

* Ясно, что начальный пузырек имеет не совсем правильную сферическую форму. При схлопывании эти искажения симметрии усиливаются, и в результате не удается всю начальную энергию сфокусировать в точку. Если при однопузырьковой кавитации, когда начальные искажения малы, удаётся уменьшить радиус пузырька на порядок и более, то при многопузырьковой сонолюминесценции начальные искажения не позволяют сильно сжать пузырёк, что и сказывается на конечной температуре.

* В случае однопузырьковой сонолюминесценции на последней стадии коллапса кавитационного пузырька стенки пузырька развивают скорость до 1-1,5 км/сек, что в 3-4 раза превышает скорость звука в газовой смеси внутри пузырька. В результате при сжатии возникает сферическая сходящаяся ударная волна, которая потом, отразившись от центра, проходит через вещество ещё раз. Известно, что ударная волна эффективно нагревает среду: при переходе через фронт ударной волны вещество нагревается в M2 раз, где М — число Маха. Это, по-видимому, приводит к увеличению температуры ещё на порядок и позволяет достичь сотни тысяч кельвинов.

 

 

 

Ультразвуковой разогрев широко используется в промышленной технологии для поверхностной обработки деталей, сварки, интенсификации химических процессов. Находят широкое применение методы ультразвуковой пайки, механической обработки и очистки.

Широко применение эффекта в биологии и медицине. То, что ультразвук активно воздействует на биологические объекты (например, убивает бактерии), известно уже более 70 лет. Ультразвуковые стерилизаторы хирургических инструментов применяются в больницах и клиниках. Электронная аппаратура со сканирующим ультразвуковым лучом служит целям обнаружения опухолей в мозгу и постановки диагноза, используется в нейрохирургии для инактивации отдельных участков головного мозга мощным сфокусированным высокочастотным (порядка 1000 кГц) пучком. Но наиболее широко ультразвук применяется в терапии — при лечении люмбаго, миалгии и контузий, хотя до сих пор среди медиков нет единого мнения о конкретном механизме воздействия ультразвука на больные органы. Высокочастотные колебания вызывают внутренний разогрев тканей, сопровождаемый, возможно, микромассажем.

Сонолюминесценция — явление возникновения вспышки света при схлопывании кавитационных пузырьков, рождённых в жидкости мощной ультразвуковой волной. Типичный опыт по наблюдению сонолюминесценции выглядит следующим образом: в ёмкость с водой помещают резонатор и создают в ней стоячую сферическую ультразвуковую волну. При достаточной мощности ультразвука в самом центре резервуара появляется яркий, точечный источник голубоватого света - звук превращается в свет.

Несмотря на то, что явление впервые наблюдалось ещё в 1930-е годы, механизм сонолюминесценции был долгое время совершенно непонятен. Связано это с тем, что в первых экспериментах были видны лишь одиночные и довольно тусклые вспышки, т. е. всё это время не удавалось подобрать оптимальные условия для возникновения сонолюминесценции.

В 1990-х годах появились установки, дающие яркий, непрерывный, устойчивый сонолюминесцентный свет. Как результат, появилась возможность изучать сонолюминесцентный свет не с помощью фотоплёнок (т.е. накапливая свет за длительный промежуток времени), а в реальном времени, с отличным временным и пространственным разрешением. Эксперименты показали, что сонолюминесцентное свечение возникает в результате следующего цикла:

* Стоячая ультразвуковая волна в фазе разрежения создаёт в воде большое отрицательное давление, которое приводит к локальному разрыву воды и образованию кавитационного пузырька.

* В течение примерно четверти периода ультразвуковой волны (т.е. пока давление остаётся отрицательным), пузырёк растёт, причём если стоячая звуковая волна сферически симметрична, то и пузырёк остаётся сферическим. В отдельных экспериментах диаметр пузырька достигал долей миллиметра.

* В фазе сжатия кавитационный пузырёк схлопывается, причём всё быстрее и быстрее. Процесс схлопывания ускоряет также сила поверхностного натяжения.

* В заключительные доли периода из центра схлопнувшегося пузырька вырывается очень короткая и яркая вспышка света. Поскольку в стационарном режиме кавитационный пузырёк рождается и схлопывается миллионы раз в секунду, мы видим усреднённый сонолюминесцентный свет.

С точки зрения физической интуиции сонолюминесценция обладает рядом парадоксальных свойств.

* Сонолюминесценция наиболее эффективно проявляется в обычной воде. Только в последние годы с трудом удалось добиться возникновения сонолюминесценции в других жидкостях.

* Небольшая концентрация инертных газов, растворённых в воде, существенно усиливает эффект.

* Яркость сонолюминесцентного света резко увеличивается при охлаждении воды.

* Яркая сонолюминесцентная вспышка имеет, как правило, более-менее гладкий спектр, без каких-либо отдельных линий излучения. Этот спектр круто растёт в фиолетовую сторону и приблизительно похож на спектр излучения абсолютно чёрного тела с температурой порядка сотен тысяч кельвинов.

Именно спектр стал главным камнем преткновения при попытках объяснения явления. Если сонолюминесцентный свет имеет тепловое происхождение, то необходимо объяснить, как ультразвук нагревает воду до таких температур. Если же высокие температуры тут ни при чём, то каково вообще тогда происхождение света.

В 1990-х годах было открыто явление многопузырьковой сонолюминесценции. Оно возникает в том случае, если условия для кавитации создаются не в точке, а в довольно большой области, порядка сантиметра и более. В этом случае непрерывно рождается и схлопывается множество отдельных пузырьков, которые взаимодействуют, объединяются, сталкиваются друг с другом. В отличие от этого режима, описанный выше режим центрального пузырька стали называть однопузырьковой сонолюминесценцией.

При многопузырьковой сонолюминесценции свечение получается более тусклым и обладает совсем другим спектром. А именно, в спектре чётко прослеживаются и даже доминируют отдельные линии излучения; например, чётко видна линия излучения возбуждённого нейтрального радикала OH* при 310 нм. Кроме того, если в воде растворить какие-либо вещества, то их линии излучения также появляются в спектре (T.J.Matula et al, Phys.Rev.Lett. 75, 2602 (1995)). Всё это неопровержимо свидетельствует в пользу того, что свечение при многопузырьковой сонолюминесценции имеет тепловое происхождение. В зависимости от конкретных условий, температура светящегося участка при многопузырьковой сонолюминесценции составляла 2000-5000 кельвин (W.B.McNamara III et al, Nature 401, 772 (1999).).

Такая непохожесть спектров одно- и многопузырьковой сонолюминесценции стала наводить даже на мысль, что это совершенно разные явления. Однако в начале 2000-х годов появились работы, в которых был обнаружен плавный переход между этими двумя режимами сонолюминесценции (см. например O.Baghdassarian et al, Phys.Rev.Lett. 86, 4934 (2001)). После этих работ стало понятно, что и однопузырьковая сонолюминесценция имеет тепловую природу, а её загадочный спектр объясняется слишком высокой температурой и давлением при схлопывании одного сферически симметричного пузырька, так что отдельные возбуждённые радикалы снимают возбуждение столкновительным способом и не успевают высветить фотон (K.Yasui, Phys.Rev.Lett. 83, 4297 (1999)).