คลื่นอัลตราโซนิกของอัลตราซาวนด์ความเข้มสูงสร้างโพรงอากาศอะคูสติกในของเหลว การเกิดโพรงอากาศทําให้เกิดผลกระทบอย่างมากในท้องถิ่นเช่นไอพ่นของเหลวสูงถึง 1,000 กม. / ชม. ความดันสูงถึง 2,000 atm และอุณหภูมิสูงถึง 5,000 เคลวิน แรงที่สร้างขึ้นด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงเหล่านี้ใช้สําหรับการใช้งานการประมวลผลของเหลวจํานวนมากเช่นการทําให้เป็นเนื้อเดียวกันการกระจายตัวการทําให้เป็นอิมัลชันการสกัดการหยุดชะงักของเซลล์รวมถึงการทําให้ปฏิกิริยาทางเคมีรุนแรงขึ้น

หลักการทํางานของ Cavitation อัลตราโซนิก

เมื่อ sonicating ของเหลวที่ความเข้มสูงคลื่นเสียงที่เผยแพร่ในสื่อการเหลวส่งผลในการสลับแรงดันสูง (บีบอัด) และความดันต่ำ (เจือ) รอบที่มีอัตราขึ้นอยู่กับความถี่ ในช่วงวัฏจักรความดันต่ำ, ความเข้มสูงคลื่นอัลตราโซนิคสร้างฟองอากาศสูญญากาศขนาดเล็กหรือช่องว่างในของเหลว เมื่อฟองบรรลุปริมาณที่พวกเขาไม่สามารถดูดซับพลังงานยุบพวกเขาอย่างรุนแรงระหว่างวงจรแรงดันสูง ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าโพรงอากาศ ในระหว่างการระเบิดอุณหภูมิที่สูงมาก. (ประมาณ 5,000 K) และแรงกดดัน (ประมาณ. 2,000atm) จะมาถึงในประเทศ ระเบิดของฟองโพรงอากาศยังส่งผลในการ jets เหลวถึง 280m ความเร็ว / s

โพรงอากาศอะคูสติก (สร้างโดยอัลตร้าซาวด์พลังงาน) สร้างเงื่อนไขที่รุนแรงในท้องถิ่นที่เรียกว่าผลกระทบโซโนเมคานิกและโซโนเคมี เนื่องจากผลกระทบเหล่านี้ sonication ส่งเสริมปฏิกิริยาทางเคมีที่นําไปสู่ผลผลิตที่สูงขึ้นความเร็วในการตอบสนองที่เร็วขึ้นเส้นทางใหม่และปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวม

การใช้งานที่สําคัญของ Ultrasonicators โดยใช้ Acoustic Cavitation

ultrasonicators ชนิดโพรบหรือที่เรียกว่าโพรบอัลตราโซนิกสร้างโพรงอากาศอะคูสติกที่รุนแรงในของเหลวได้อย่างมีประสิทธิภาพ ดังนั้นจึงใช้กันอย่างแพร่หลายในการใช้งานที่หลากหลายในอุตสาหกรรมต่างๆ การใช้งานที่สําคัญที่สุดของ cavitation อะคูสติกที่สร้างขึ้นโดย ultrasonicators ประเภทโพรบ ได้แก่ :
 

1. การทําให้เป็นเนื้อเดียวกัน: โพรบอัลตราโซนิกสามารถสร้างโพรงอากาศที่รุนแรงซึ่งมีลักษณะเป็นสนามที่มีพลังงานหนาแน่นของแรงสั่นสะเทือนและแรงเฉือน แรงเหล่านี้ให้การผสมการผสมและการลดขนาดอนุภาคที่ยอดเยี่ยม การทําให้เป็นเนื้อเดียวกันด้วยอัลตราโซนิกทําให้เกิดสารแขวนลอยผสมอย่างสม่ําเสมอ ดังนั้น sonication จึงใช้ในการผลิตสารแขวนลอยคอลลอยด์ที่เป็นเนื้อเดียวกันด้วยเส้นโค้งการกระจายที่แคบ
2. การกระจายตัวของอนุภาคนาโน: Ultrasonicators ใช้สําหรับการกระจายตัวการแตกตัวและการกัดแบบเปียกของอนุภาคนาโน คลื่นอัลตราซาวนด์ความถี่ต่ําสามารถสร้างโพรงอากาศที่มีผลกระทบซึ่งสลายการรวมตัวกันและลดขนาดอนุภาค โดยเฉพาะอย่างยิ่งแรงเฉือนสูงของไอพ่นเหลวจะเร่งอนุภาคในของเหลวซึ่งชนกัน (การชนกันระหว่างอนุภาค) เพื่อให้อนุภาคแตกและกัดกร่อน ส่งผลให้มีการกระจายตัวของอนุภาคอย่างสม่ําเสมอและมั่นคงเพื่อป้องกันการตกตะกอน นี่เป็นสิ่งสําคัญในสาขาต่างๆรวมถึงนาโนเทคโนโลยีวัสดุศาสตร์และเภสัชกรรม
3. อิมัลชันและการผสม: เครื่องอัลตราโซนิกชนิดโพรบใช้ในการสร้างอิมัลชันและผสมของเหลว พลังงานอัลตราโซนิกทําให้เกิดโพรงอากาศการก่อตัวและการล่มสลายของฟองอากาศด้วยกล้องจุลทรรศน์ซึ่งสร้างแรงเฉือนในท้องถิ่นที่รุนแรง กระบวนการนี้ช่วยในการผสมของเหลวที่เข้ากันไม่ได้ผลิตอิมัลชันที่เสถียรและกระจายตัวอย่างประณีต
4. การสกัด: เนื่องจากแรงเฉือน cavitational, ultrasonicators มีประสิทธิภาพสูงในการรบกวนโครงสร้างเซลล์และเพื่อปรับปรุงการถ่ายโอนมวลระหว่างของแข็งและของเหลว ดังนั้นการสกัดด้วยอัลตราโซนิกจึงถูกนํามาใช้กันอย่างแพร่หลายในการปล่อยวัสดุภายในเซลล์เช่นสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพสําหรับการผลิตสารสกัดจากพฤกษศาสตร์คุณภาพสูง
5. Degassing และ Deaeration: เครื่องอัลตราโซนิกชนิดโพรบถูกนํามาใช้เพื่อกําจัดฟองก๊าซหรือก๊าซที่ละลายน้ําออกจากของเหลว การประยุกต์ใช้โพรงอากาศอัลตราโซนิกส่งเสริมการรวมตัวของฟองก๊าซเพื่อให้พวกเขาเติบโตและลอยไปที่ด้านบนของของเหลว โพรงอากาศอัลตราโซนิกทําให้ degasification เป็นขั้นตอนที่รวดเร็วและมีประสิทธิภาพ สิ่งนี้มีค่าในอุตสาหกรรมต่าง ๆ เช่นในสีน้ํามันไฮดรอลิกหรือการแปรรูปอาหารและเครื่องดื่มซึ่งการปรากฏตัวของก๊าซอาจส่งผลเสียต่อคุณภาพและความเสถียรของผลิตภัณฑ์
6. Sonocatalysis: โพรบอัลตราโซนิกสามารถใช้สําหรับ sonocatalysis ซึ่งเป็นกระบวนการที่รวมโพรงอากาศอะคูสติกเข้ากับตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อเพิ่มปฏิกิริยาทางเคมี โพรงอากาศที่เกิดจากคลื่นอัลตราโซนิกช่วยเพิ่มการถ่ายโอนมวลเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยาและส่งเสริมการผลิตอนุมูลอิสระซึ่งนําไปสู่การเปลี่ยนแปลงทางเคมีที่มีประสิทธิภาพและเลือกสรรมากขึ้น
7. การเตรียมตัวอย่าง: เครื่องอัลตราโซนิกชนิดโพรบมักใช้ในห้องปฏิบัติการสําหรับการเตรียมตัวอย่าง พวกมันถูกใช้เพื่อทําให้เป็นเนื้อเดียวกันแยกส่วนและสกัดตัวอย่างทางชีวภาพเช่นเซลล์เนื้อเยื่อและไวรัส พลังงานอัลตราโซนิกที่สร้างขึ้นโดยโพรบจะขัดขวางเยื่อหุ้มเซลล์ปล่อยเนื้อหาของเซลล์และอํานวยความสะดวกในการวิเคราะห์เพิ่มเติม
8. การสลายตัวและการหยุดชะงักของเซลล์: เครื่องอัลตราโซนิกชนิดโพรบถูกนํามาใช้เพื่อสลายตัวและทําลายเซลล์และเนื้อเยื่อเพื่อวัตถุประสงค์ต่าง ๆ เช่นการสกัดส่วนประกอบภายในเซลล์การยับยั้งการทํางานของจุลินทรีย์หรือการเตรียมตัวอย่างเพื่อการวิเคราะห์ คลื่นอัลตราโซนิกความเข้มสูงและการเกิดโพรงอากาศทําให้เกิดความเครียดเชิงกลและแรงเฉือนส่งผลให้โครงสร้างเซลล์สลายตัว ในการวิจัยทางชีวภาพและการวินิจฉัยทางการแพทย์เครื่องอัลตราโซนิกชนิดโพรบใช้สําหรับการตายของเซลล์กระบวนการทําลายเซลล์เปิดเพื่อปล่อยส่วนประกอบภายในเซลล์ พลังงานอัลตราโซนิกขัดขวางผนังเซลล์เยื่อหุ้มเซลล์และออร์แกเนลล์ทําให้สามารถสกัดโปรตีน DNA RNA และส่วนประกอบของเซลล์อื่น ๆ

 
นี่คือการใช้งานที่สําคัญของเครื่องอัลตราโซนิกชนิดโพรบ แต่เทคโนโลยีนี้มีการใช้งานอื่น ๆ ที่หลากหลายยิ่งขึ้นรวมถึง sonochemistry การลดขนาดอนุภาค (การกัดแบบเปียก) การสังเคราะห์อนุภาคจากล่างขึ้นบน และการสังเคราะห์สารเคมีและวัสดุในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น ยา การแปรรูปอาหาร เทคโนโลยีชีวภาพ และวิทยาศาสตร์สิ่งแวดล้อม

ลําดับความเร็วสูง (จาก a ถึง f) ของเฟรมที่แสดงการขัดผิวเชิงกลโซโนของเกล็ดกราไฟท์ในน้ํา ใช้ UP200S, ultrasonicator 200W กับ sonotrode 3 มม. ลูกศรแสดงสถานที่ของการแยกอนุภาคที่มีฟองอากาศโพรงอากาศเจาะทะลุแยก
© Tyurnina et al. 2020

วิดีโอของเกม Acoustic Cavitation in Liquid

วิดีโอต่อไปนี้แสดงให้เห็นถึงการเกิดโพรงอากาศอะคูสติกที่น้ําตกของเครื่องอัลตราโซนิก UIP1000hdT ในคอลัมน์แก้วที่เต็มไปด้วยน้ํา คอลัมน์แก้วจะส่องสว่างจากด้านล่างด้วยแสงสีแดงเพื่อปรับปรุงการแสดงภาพของฟองอากาศโพรง

ตารางด้านล่างนี้จะช่วยให้คุณมีข้อบ่งชี้ของความจุในการประมวลผลโดยประมาณของ ultrasonicators ของเรา: