Parametri che influenzano la cavitazione

• Parametri acustici (frequenza, intensità acustica e, nel caso di applicazione di ultrasuoni sottoforma di impulsi, caratteristiche degli impulsi).

• Parametri del liquido (viscosità, tensione superficiale, tensione di vapore, conducibilità termica, compressibilità, velocità del suono, materiali disciolti).

• Parametri esterni (bolle di gas, temperatura, pressione).

Parametri acustici

1. Frequenza

Se la frequenza del campo acustico applicato viene aumentata, la fase di rarefazione si accorcia e questo ha diverse conseguenze. In primo luogo, è necessario aumentare la potenza del fascio di ultrasuoni irradiato per ottenere la cavitazione nel sistema. Ad esempio, è necessaria 10 volte più potenza per ottenere la cavitazione a 400 𝑘𝐻𝑧 che a 10 𝑘𝐻𝑧. Questa è la ragione principale per cui le frequenze generalmente utilizzate per le applicazioni degli ultrasuoni ad elevata intensità si trovano nel range 20 − 40 𝑘𝐻𝑧. Quando la frequenza viene elevata fino ai 𝑀𝐻𝑧, diventa sempre più difficile produrre la cavitazione nei liquidi. Infatti, la produzione di una cavità in un liquido richiede un tempo finito per permettere alle molecole di separarsi. A frequenze così elevate la fase di rarefazione è molto breve e l’evento cavitazionale sempre più difficile da realizzare. Quando la fase di rarefazione dura meno del tempo necessario alla separazione delle molecole, la cavitazione diventa impossibile da produrre. C’è anche da dire che i trasduttori che operano a frequenze dell’ordine dei 𝑀𝐻𝑧, non sono meccanicamente capaci di generare potenze ultrasoniche molto elevate. In secondo luogo, all’aumentare della frequenza, e quindi al diminuire della durata del ciclo acustico, diminuiscono le dimensioni

delle bolle prodotte. E perciò si hanno collassi meno violenti. Dato che gli effetti della cavitazione sono dovuti alla capacità di concentrare l’energia acustica, andare ad agire sull’intensità del collasso cambia molto il risultato.

2. Intensità acustica

Come già descritto, l’intensità acustica deve superare un valore di soglia per indurre la cavitazione. Tale soglia cresce all’aumentare della frequenza. Nel paragrafo sulla potenza acustica si è visto come l’intensità del campo acustico sia direttamente collegata all’ampiezza della vibrazione della sorgente ultrasonica. In generale un aumento dell’intensità produce un aumento degli effetti di intensificazione dello scambio termico. Ma l’intensità non può essere aumentata indefinitamente perché il materiale del trasduttore potrebbe rompersi se i cambiamenti dimensionali diventassero troppo grandi. Inoltre, grandi ampiezze vibrazionali sono accompagnate da maggiori probabilità di disaccoppiamento tra fluido e superficie emittente, con conseguenti perdite di efficienza del trasferimento di potenza dalla sorgente al mezzo.

3. Caratteristiche degli impulsi

Nel caso di applicazione degli ultrasuoni sotto forma di impulsi la formazione di bolle viene alterata in misura maggiore o minore in funzione della larghezza degli impulsi (in genere un piccolo numero di cicli di rarefazione/compressione), della forma d’onda e dell’intervallo tra gli impulsi. L’effetto degli impulsi dipende in particolar modo dal rapporto tra larghezza degli impulsi e intervallo di ripetizione.

Parametri del liquido

Ci sono diversi parametri del solvente che possono influenzare la cavitazione. Tra questi:

1. Viscosità del solvente & Tensione superficiale

La formazione delle cavità in un liquido richiede che la depressione nella fase di rarefazione vinca le naturali forze coesive che agiscono nel liquido. Ci si aspetta quindi che nei liquidi viscosi e con alta tensione superficiale la cavitazione sia difficile da produrre, dato che in essi queste forze sono grandi.

2. Tensione di vapore

È più difficile indurre la cavitazione in un solvente a bassa tensione di vapore perché è richiesta una depressione maggiore per raggiungerla (dunque un’ampiezza ed una potenza acustiche maggiori). Un solvente più volatile facilita sicuramente la cavitazione e produce bolle piene di vapore, mentre nel primo caso le bolle contengono poco vapore. Avere bolle piene di vapore però significa avere collassi ammortizzati e perciò meno violenti.

Fattori esterni

1. Presenza di gas

È già stato menzionato il fatto che i gas disciolti, o la presenza di piccole bolle di gas, possono agire nel fluido come nuclei di origine della cavitazione abbassando la soglia di cavitazione. Gli ultrasuoni possono anche essere utilizzati per degassare un liquido. Quando un campo ultrasonico viene applicato ad un liquido, la presenza del gas promuove la cavitazione e il gas viene rimosso grazie ad essa (se la fuoriuscita del gas viene permessa dall’apparecchiatura). I manuali di istruzioni per l’uso delle vasche per la pulizia ad ultrasuoni suggeriscono sempre di far funzionare lo strumento “a vuoto” per un po’ di tempo (finché l’acqua nella vasca non viene degassata) prima di usarle per la pulizia. Questo perché la vasca non produce gli effetti cavitazionali ottimali se l’acqua non è degassata (essendo i collassi meno violenti perché ammortizzati dal gas presente nelle bolle).

Molti gruppi di ricerca introducono volontariamente un gas facendolo gorgogliare all’interno del sistema con lo scopo di mantenere una cavitazione uniforme. In accordo con la teoria, l’energia sviluppata dal collasso di queste bolle riempite con gas è maggiore per i gas con il maggiore rapporto dei calori specifici 𝛾 =

𝐶𝑝

𝐶𝑣. Infatti, la temperatura a fine collasso nella bolla risulta

proporzionale a (𝛾 − 1). Per questa ragione i gas monoatomici sono preferiti a quelli diatomici. Aumentare il contenuto di gas di un liquido facilita la cavitazione, ma comporta una riduzione dell’intensità dell’onda d’urto rilasciata dal collasso delle bolle. Se viene utilizzato un gas solubile, questo provvede un gran numero di nuclei per la cavitazione. Maggiore è la solubilità del gas, maggiore è la quantità di questo che penetra nelle bolle e minore l’intensità dell’onda d’urto. Inoltre, minore è la conducibilità termica del gas, maggiore sarà il riscaldamento locale durante il collasso.

2. Temperatura esterna

All’aumentare della temperatura dell’ambiente, diminuiscono viscosità e tensione superficiale. Inoltre, aumenta la tensione di vapore. Perciò la soglia di cavitazione diminuisce ed è richiesta un’intensità acustica minore per indurla. Però, il collasso della bolla è meno violento, perché entra più vapore nella bolla. Quando la temperatura si avvicina a quella di ebollizione, si genera un gran numero di bolle contemporaneamente. Queste agiscono come una barriera rispetto alla trasmissione delle onde acustiche. Perciò se un liquido viene sottoposto all’azione di un campo acustico quando è all’ebollizione, non ci dovremmo aspettare grandi effetti di interazione con lo scambio termico.

3. Pressione esterna

All’aumentare della pressione esterna, è richiesta una depressione maggiore per iniziare la cavitazione. Di conseguenza la formazione di

bolle in queste condizioni richiede una maggiore intensità acustica rispetto a quella richiesta in condizioni ambiente. D’altra parte, l’aumento della pressione esterna dà luogo a collassi più violenti.