Скорость звука в различных средах. Волновое уравнение, его решения для плоской волны, волновое число, удельное акустическое сопротивление. Испарение капель в неподвижном газе, не содержащем пара, страница 4

Обычно при кавитации . Аналогичные кавитационные явления происходят при интенсивном акустическом воздействии на жидкость с пузырьками газа, например, с ударными волнами (ударная волна – одиночная акустическая волна с малым периодом и большой амплитудой).

Максимальное акустическое воздействие происходит, когда время схлопывания пузырька равно половине периода волны, а наибольшая скорость схлопывания при      Р_о/Р_а = 0.4  0.5.

При схлопывании давление в пузырьке может возрастать в раз, а радиус пузырька уменьшаться в 100 раз.

Время схлопывания:

.

Кавитация  вызывает флотационные явления, выпрямленную диффузию, микро струйки, микро течения, акустическую турбулентность, ударные волны.

17.Явления, вызываемые кавитацией.

Флотационные явления – перемещение твёрдой частицы в жидкости к поверхности раздела (всплытие) за счёт того, что на частицу налипают пузырьки газа в результате их движения к частицам под действием пандемоторных сил.

Выпрямленная (односторонняя) диффузия – увеличение диффузии газа в жидкость. Эффект выпрямленной диффузии возрастает с ростом давления в пузырьке и уменьшением его размера.

Микро струйки  возникают при не сферическом схлопывании пузырьков. Скорость таких микро струек достигает тысяч метров в секунду, поэтому они являются основной причиной разрушения материалов в кавитирующей жидкости (кавитационной эрозии).

Микро течения – вихри в жидкости размером порядка четверти длины волны акустического воздействия, возникающие у стенок в достаточно длинных трубах.

Акустическая турбулентность – микро вихри, возникающие в акустическом пограничном слое жидкости.

Ударные волны возникают при кавитации в жидкости с пузырьками газа. Амплитуда давления возникающей ударной волны на порядки больше амплитуды акустического воздействия и скорость распространения её существенно выше. Один из возможных механизмов образования ударной волны следующий. В жидкости с равномерно распределёнными кавитирующими пузырьками можно выделить пузырьки, сферически окружёнными множеством других таких же пузырьков. Так как кавитирующие пузырьки взаимодействуют друг с другом и обмениваются энергией, то   некоторые пузырьки, находящиеся в центре сфер, будут воспринимать энергию от множества сферически расположенных  пузырьков, «накачиваться» энергией. Эта накопленная энергия преобразуется центральным пузырьком в ударную волну большой интенсивности..

18.Колебание и резонанс пузырьков в акустическом поле.

Резонанс пузырьков

Упругие элементы системы, например, пузырьки газа в жидкости, поры в твёрдом теле, заполненные газом, при возбуждении звуком с длиной волны много большей размера пузырька  будут колебаться, будет меняться объём газа и его плотность. Такие упругие элементы имеют собственную частоту колебаний и возможен резонанс на них. Это существенно влияет на скорость распространения звука в среде и на поглощение энергии акустических колебаний.

Собственная (или резонансная) частота колебаний сферического пузырька в жидкости можно оценить по зависимости Минрета:

где:  - давление газа в пузырьке в невозмущённом состоянии, - поверхностное натяжение жидкости,  плотность среды      (здесь:  - плотность чистой жидкости,  - плотность газа,  - объёмная       доля жидкости в среде,  - объёмная доля газа в среде).

Так как величина  обычно мала, это выражение можно представить:

                               .

Например, для пузырьков воздуха в воде при атмосферном давлении  Кгц.

Пору можно представить как сферическую полость радиусом , соединённую с поверхностью цилиндрическим каналом с поперечным сечением  и общим объёмом  (модель Гельмгольца). Такой резонатор будет иметь собственную (резонансную) частоту:

                           .

В зависимости от связей резонаторов, их свойств и наличия других колебательных элементов в системе, система будет иметь разные частотные характеристики, то есть различную реакцию на акустическое воздействие.