|
Zjawiska występujące w cieczy
podczas mycia ultradźwiękowego
Najistotniejsze zjawiska fizyczne,
zachodzące podczas mycia ultradźwiękowego to kawitacja, wiatr
akustyczny i ciśnienie promieniowania. Kawitacja polega na formowaniu się
w cieczach bardzo drobnych pęcherzyków próżniowych, ich pulsowaniu i
implozji.
Kawitacja występuje wówczas, gdy ciecz jest poddana działaniu
zmiennego ciśnienia. Może być wytworzona przez fale ultradźwiękowe,
pod warunkiem, że mają odpowiednią częstotliwość i natężenie. Przy
przepływie fali ultradźwiękowej przez ciecz, powstają kolejno obszary
podwyższonego i obniżonego ciśnienia. W obszarach obniżonego ciśnienia,
przy odpowiedniej intensywności ultradźwiękowej, dużej amplitudzie
drgań, siły zewnętrzne działające na cząsteczki cieczy zaczynają być
większe niż siły spójności międzycząsteczkowej. Na skutek gwałtownego
zaburzenia równowagi hydrostatycznej, ciecz dzieli się na poszczególne
cząsteczki, a w miejscach rozerwania powstają drobne pęcherzyki próżniowe.
Przy nagłym rozszerzeniu się pęcherzyków kawitacyjnych ciecz może
odparować do ich wnętrza. Przydatność kawitacji do czyszczenia
powierzchni polega na wykorzystaniu bardzo wysokiego ciśnienia
wytwarzanego lokalnie przy zamykaniu się pęcherzyków kawitacyjnych. Ma
to miejsce w obszarach cieczy, gdzie ciśnienie jest większe od
statycznego. Liczne badania procesu kawitacji wykazały, że ciśnienie
wywołane implozją pęcherzyków może osiągnąć kilkadziesiąt, a według
wyników niektórych prac – nawet kilkaset megapaskali. W ten sposób, w
chwili implozji pęcherzyka, powstaje bardzo silna mikrofala uderzeniowa,
która jest w stanie oderwać od powierzchni przywarte do niej cząsteczki
zanieczyszczeń.
Wiatr akustyczny powstaje w cieczy
jako skutek pochłaniania przez nią energii fal ultradźwiękowych.
Powoduje to powstawanie dużych różnic ciśnień, a w ślad za tym
zawirowań cieczy. Prędkość wiatru akustycznego jest proporcjonalna do
wielkości tej części energii ultradźwiękowej, która zostaje pochłonięta
przez ciecz. W praktyce prędkość
ta wynosi od kilku do około 150 cm/s. W fali bieżącej pojawia się prąd
cieczy skierowany od źródła ultradźwięków do centrum naczynia, a
przy ściankach naczynia w przeciwnym kierunku.
Ciśnienie promieniowania
wywołuje w cieczy jeszcze inne prądy jednokierunkowe. Powstają one na
skutek pochłaniania fali ultradźwiękowej przy spotkaniu z przeszkodami
w postaci np. granicy rozdziału faz, ponieważ zgodnie z zasadą Newtona
zmiana taka jest kompensowana jednokierunkowym ruchem środowiska.
Ponadto, bardzo istotna sprawą dla
dobrych warunków mycia ultradźwiękowego jest zapewnienie równomiernego
rozkładu pola ultradźwiękowego w całej objętości myjki. W wielu
przypadkach, wewnątrz cieczy wytwarzają się fale stojące i wtedy
obserwuje się wyraźne obszary o większej energii w strzałkach i
mniejszej w węzłach ciśnienia akustycznego. W takich sytuacjach
skuteczność mycia jest zależna od miejsca, w którym znajduje się
czyszczony obiekt. Bardzo istotnym czynnikiem takiego czyszczenia jest
kawitacja.
Próg kawitacji, jej intensywność przy określonym
natężeniu ultradźwięków oraz zachodzące reakcje sonochemiczne są różne
i charakterystyczne dla poszczególnych cieczy. Droga wieloletnich
poszukiwań badawczych udało się wskazać pewne ciecze i dobrać
odpowiednie ich roztwory wodne jako najbardziej wskazane dla rozmaitych
klas zastosowań w zakresie mycia ultradźwiękowego.
powrót
|
