2.3. Akusztikai kavitáció

 

Nagyon fontos akusztikai jelenség a kavitáció, melynek a széleskörű laboratóriumi és ipari alkalmazásai miatt érdemes egy külön fejezettel adóznunk. A kavitáció folyadékban történő üreg-, vagy buborékképződést jelent (13. ábra). A 13. ábra bal oldalán egy szilárd fal mellett kialakult „jet” vagy tűszerű belövellést mutató kavitációs buborékot láthatunk, míg a jobb oldalon egy szabad folyadékközeggel határolt kavitáció, vagyis üreg látható. Mindkettő úgynevezett „tranziens, vagy tehetetlenségi kavitáció”.

 

(A)         (B)

 

13. Ábra: Tranziens kavitációs üreg (A, szilárd fal melletti „jet formájú” és B, szabad folyadékkel határolt tranziens kavitáció)

 

A kavitációs jelenség olyan folyadékokban alakul ki, amelyek akusztikai zavarnak, vagy talán esetünkben egyszerűbben érthető, hogy ultrahang besugárzás hatásának vannak kitéve és akkor, ha az akusztikai nyomás a hangciklus ritkulási fázisának folyamán a teljes nyomást nézve lecsökken egy bizonyos küszöb, vagy határérték alá. Ez a határérték a kavitációs küszöb. A kavitációs küszöb akusztikai nyomás amplitúdó határértéke számos fizikai paraméter függvénye, amelyek a közeg állapotát írják le. Ezekhez a fizikai tényezőkhöz tartozik a hangintenzitás, a hangfrekvencia, a hőmérséklet, a nyomás, az oldott gáz típusa, mennyisége, a viszkozitás, a közeg előélete, a kavitációs magok típusa, mennyisége, az oldott ion koncentráció, stb.

 

2.3.1. Kavitációs magok

 

Fontos megjegyezni, hogy a kavitációs üregek úgynevezett kavitációs magokból növekednek ki. Több elméleti modell áll rendelkezésünkre a kavitációs magokra, melyek közül a legfontosabb a szerves bőr modell és a hasadék modell. A szerves bőr modell azt jelenti, hogy a mikro-buborékokat apoláris és poláros részekből álló molekulák filmszerű rétegének stabilizációja óvja meg a gáz folyadékba történő diffúziója ellen. A hasadék-modell pedig azt jelenti, hogy a folyadékokban lévő mikro-méretű szennyeződéseken, illetve az edény falain, illetve a szilárd felületeken szintén mikro-méretű hasadékok találhatóak, melyekben csapdázott gáz található. Ebből a „gázzsebből” (gas pocket) az oszcilláló hullámtérben a negatív nyomási fázisban fog „kinőni” a kavitációs üreg. Voltak, akik figyelembe vették a folyadékok felületi feszültségét, melyek befolyásolják a gázzsebben stabilizált kavitációs mag folyadékkal alkotott érintőszögeit, amely azt befolyásolja, hogy mekkora akusztikai nyomás amplitúdóra van ahhoz szükség, hogy ez a gázzseb, vagy gáz test „aktiválódjon” (gas body activation).

 

2.3.2. Kavitáció típusok

 

Minimum két különböző kavitációtípust, vagyis folyadékban történő üreg,- vagy buborékképződést célszerű ismerni, és tudni megkülönböztetnünk a hatékony ultrahangos munkánkhoz.

 

2.3.2.1. Tranziens (tehetetlenségi) kavitáció

 

Az első, a fent említett (13. ábra) tranziens, tehetetlenségi, vagy hard kavitáció, amely során a kavitációs üreg egy akusztikai ciklus során megnövekszik, majd hevesen összeomlik. Amennyiben ez az összeomlás szilárd fal, vagy felület mellett zajlik (sejtmembrán, szivattyú rotor, hajócsavar, stb.), úgy az a falra nézve drámai következményekkel jár, a következő mechanizmus szerint (14. ábra).

 

      

 

14. Ábra: Tranziens kavitáció összeomlás szilárd fal mellett (A, az összeomlási folyamat, B, tűszerű kilövellés „jet”)

 

Szilárd fal melletti kavitációs üreg tranziens összeomlása során a kavitációs üreg szilárd fal felőli oldalán, a szabad folyadék felőli oldalhoz képest a közegáramlás összetevője erőteljesen lecsökken. Ezért a kavitációs üreg falának mozgása a középpontjához képest aszimmetrikussá válik. Ezáltal az üreg folyadékból alkotott falának a szilárd fallal ellentétes oldala nagyobb sebességre szert téve fog az üreg középpontja felé mozogni, mint a szilárd fal felőli üregoldal. Az üreg falának aszimmetrikus egyre gyorsuló mozgása a leggyorsabb részen egy tűszerű folyadéksugár kialakulását eredményezi, ami tehetetlensége miatt nagy sebességgel átdöfi a buborékot (13.A., 14. ábra), ezzel a vele szemben elhelyezkedő szilárd falat, így például sejteket, szivattyúlapátokat, hajócsavart, ultrahangkészüléket, kőszemcséket erőteljesen erodálja (15. ábra). A 15. ábra azt mutatja be, hogy a tranziens kavitációs buborékok a dolomit szemcsékre milyen drasztikus hatással vannak. A kiindulási állapothoz képest, hozzávetőleg 10 perces 1Mhz-es 12W/cm² teljesítményű kezelés után, szemmel látható módon lecsökkent a szemcsék mérete, azaz erodálódtak.

(A)   (B)

 

15. Ábra: Dolomit szemcsék ultrahangos eróziója (A, kiindulási állapot, B, 15 perc kezelés utáni állapot (Forrás: Lőrincz, A., 2003))

 

Az erózió miatt kell cserélhető titánhegyet vennünk és bizonyos időszakonként cserélnünk is az ultrahang berendezésünkön található mechanikai erősítő oszlopon (16. ábra). Amennyiben a kavitáció nem szilárd fal mellett omlik össze, úgy inkább a kémiai roncsoló hatás érvényesül, mivel a tranziens kavitáció során a molekulák széttöredezése is megfigyelhető. A molekulák roncsolódása főleg az erőteljes mechanikai lökéshullámnak, illetve mikroáramlásoknak, illetve az összeomláskor kialakuló 10-35000K hőmérsékletnek és a több ezer bar nyomásnak köszönhető.

 

 

16. Ábra: Konvencionális ultrahangos sejtroncsoló séma

 

A kavitációs erózió hatására változik a transzdúcer, illetve a mechanikai erősítő rudak hossza, ezáltal megváltozik azok rezonanciafrekvenciája, illetve az a pont, ahol a hullám elhagyja a transzdúcerünket. Mivel eredetileg a legnagyobb hatékonyságra tervezett λ/2 valahányszorosa a transzdúcer és mechanikai erősítő rúdhossz (17. ábra), ezért az eróziótól erősen lecsökken a kezelő berendezésünk hatékonysága. Az tehát egy trükk lehet a hatékony ultrahangos munkáért, ha figyelemmel kísérjük a berendezésünk minőségét és ha szükséges, akkor beavatkozunk.

 

 

17. Ábra: A legáltalánosabb mechanikai erősítők

 

Az eróziót onnan ismerjük fel legjobban, hogy a felcsavarozható titán hegyen (tip) bevésődések, egyenetlenségek jelennek meg. Ekkor azonnal cseréljük le ezt az alkatrészt, amit egyszerűen ki és vissza lehet csavarni.

A következő trükkünk a hatékony ultrahangos tevékenységért pedig azon alapszik, hogy mivel a tranziens kavitáció szerencsénkre hangjelenséggel jár, mégpedig olyannal, amit mi is hallunk (a laboránsok szerencsétlenségére), ezért a saját érzékeinkre hagyatkozva képesek lehetünk megállapítani, hogy mikor történik a céljainknak legmegfelelőbb munkavégzés. Tehát, abban az esetben, hogy ha a besugárzás folyamán 16kHz, vagy efelett működő berendezésünknél éles, pattogó, vagy sistergő hangot hallunk (21. ábra), ez nagyon jó jel lehet, mivel a rosszul hangolt akusztikai berendezés szétesése előtti alharmonikus kibocsátás bűnös gondolatának elodázása után örömmel konstatálhatjuk, hogy a rendszerünkben tranziens kavitáció található. Ez pedig az anyagra nézve drasztikus tevékenységet folytatók számára öröm kell, hogy legyen, mivel hozzásegítheti őket céljaik eléréséhez. Abban az esetben, amikor viszont nem halljuk ezt a hangot és éppen például sejtfeltárást folytatunk, akkor ne habozzunk növelni az amplitúdót, vagy újra hangolni a berendezést, illetve ellenőrizni, hogy mindent helyesen állítottunk-e össze, mivel ekkor minden egyes kezelési perc feleslegesen múlatott idő. Tehát emberi fül számára is hallható jelei vannak a tranziens kavitációnak, amely kavitációtípus az anyag roncsolódását okozza.

 

2.3.2.2. Stabil kavitáció

 

A másik fontos ismerendő kavitációtípus a stabil kavitáció. Stabil kavitáció akkor történik, ha a buborék számos cikluson keresztül oszcillál, a térből való távozás, vagyis felszínre vándorlás, illetve összeomlás nélkül és a depresszió alatt mérete csökken, majd az ellenkező fázisban újra kitágul, mivel gőzt tartalmaz (18. ábra). Bizonyos esetekben a depressziós akusztikai ciklus alatt tágul, az ellenkező akusztikai fázisban pedig zsugorodik a buborék, amelynek az erőteljes több ezer kelvines hőképződés lehet az eredménye. A tranziens kavitáció nem, vagy csak elenyésző mértékben tartalmaz gőzt, mivel olyan hevesen zajlik le, hogy a diffúzióra nagyon kevés idő áll rendelkezésre. De nem úgy a stabil kavitációnál. Ebben az esetben a buborék valóban buborék formájú és a mikro méretű buborékból a látható „nagy” buborékká való növekedéséhez nagyon sok ezer, sőt akár több millió oszcillációra is szükség van (1MHz-en 1 másodperc alatt 1.000.000 hangciklus van, 10kHz-en pedig 10.000). Ebben az esetben ez alatt a számos hangciklus alatt van ideje az oldott gázoknak, a vízgőznek és az egyéb anyagoknak a buborékba diffundálni. A stabil kavitációs buborék az oszcilláló akusztikai tér miatt saját frekvenciával rendelkezik, illetve általában további felületi rezgések is kialakulhatnak rajta (al, és felharmonikusok kiváltói), melyek a buborék környezetében erőteljes turbulenciákat indukálnak. Ezeket a turbulenciákat nevezzük mikroáramlásoknak, melyekre magas nyíróerő a jellemző, és amelyet a sejtbiológiai hatások egyik kiváltójaként tartanak számon.

 

 

18. Ábra: A stabil kavitáció sémája

 

A stabil kavitációs buborékok az akusztikai tér oszcillációjától vezéreltetve egy adott rezonanciafrekvencián sugárzóvá válnak. A buborékok eltérő rezonanciafrekvencián pedig eltérő egyensúlyi méretűek. Ez azt jelenti, hogy amennyiben a vivőfrekvencia, azaz az a berendezésünk kibocsátott frekvenciája magasabb, akkor kisebb, míg az alacsonyabb vivőfrekvenciák mellett nagyobb ez az egyensúlyi, rezonanciafrekvenciára jellemző buborékméret. A stabil kavitációs buborék pedig „ekörül” az egyensúlyi méret körül oszcillál, azaz tágul és szűkül, az akusztikai tér váltakozásának megfelelően, vagy azzal ellentétesen, vagy fáziseltolódással. A buborékok, az önállóan kibocsátott hangsugárzás által szétterítik, eloszlatják, csillapítják, szórják az eredeti akusztikai energiát a hangtérben. A gázzal telt stabil kavitációs buborékok rezonanciafrekvenciája (f₀) a [4]. egyenlet szerint:

 

f₀ = ω₀/2π = 1/2πR₀*√3κp₀/ρ  [4]

 

A képletben a (ρ) a folyadék sűrűsége, (p₀) a környezeti nyomás, (R₀) a gázbuborék sugara, (f₀) a rezonancia frekvencia, (κ) a politrópikus index, azaz a fajhők aránya, vagyis az állandó nyomáson és az állandó térfogaton vett fajhők hányadosa, (ω₀) a körfrekvencia (ω=2πf), az (f) pedig az ultrahang frekvenciája. Látható a [4]. egyenletben, hogy a rezonanciafrekvencia és a buboréksugár milyen szoros összefüggésben állnak. Akkor beszélünk vízbeli levegőbuborékokról, ha azok átmérője nagyobb, mint 10μm. Ebből azt tudjuk pontosan meghatározni, hogy amennyiben egy adott méretű stabil kavitációs buborékra van szükség, például szonokémiai alkalmazásra, akkor mekkora az a vivőfrekvencia, amellyel dolgoznunk kell.

Kijelenthető, hogy ha szabad szemmel látjuk a folyadékban a kavitációs buborékokat, akkor minden bizonnyal stabil kavitációval van dolgunk (19. Ábra).

 

19. Ábra: Stabil kavitációs buborékok (Forrás: Lőrincz, A., 2003)

 

Miért is fontos nekünk, hogy milyen típusú kavitációs buborékok, vagy üregek vannak a rendszerben? Azért, mert mindkét kavitációtípust másra lehet és kell is használni! Számos tudományos közlemény vitatja és bizonyítja a mai napig a stabil kavitáció, vagyis az oszcilláló, gázzal telt buborékok hatékony roncsoló hatását, a mikroáramlások nyíróerején keresztül. Azonban a tranziens kavitáció hatékonyságát soha senki nem kérdőjelezte meg, (illetve aki még a XX. század elején ezt megtette, később saját maga bizonyította, hogy nem volt igaza) és ez a lényeg! A stabil kavitáció alacsonyabb intenzitásszintek mellett is kialakuló határjelenség, amit például a magas sejt, vagy szemcsekoncentráció, az alacsony oldott gáztartalom, stb. egyszerűen megszüntet. Ezáltal állandó kontroll alatt kellene tartanunk a rendszert, amire ésszerűen természetesen egy technológiai sorban alkalmazott eszköznél sincsen mód. Ezáltal amennyiben arra törekszünk, hogy minél hatékonyabb ultrahangos munkát végezzünk, akkor célszerű a kavitációs határzóna feletti intenzitással (amplitúdóval) dolgoznunk, amelynek hatására a biztató fülsértő éles hang (kavitációs hang = cavitation noise) kompenzálása kapcsán a laboratóriumi rádiónkat e munkafázis időtartamára feljebb kell hangosítani.

Továbbá ne feledjük bizonyos időszakonként ellenőrizni a titánhegy állapotát a mechanikai erősítőrúdon, illetve ha szükséges, akkor cserélni azt.

 

2.3.1. A kavitációra, illetve az akusztikai jelenségek kialakulására vonatkozó vizsgálatok

 

         A következőkben a sejtkoncentráció fontosságára hívom fel a figyelmet, melynek a kavitációra gyakorolt hatását vizsgáltam. Anélkül, hogy különösebben belemennék a tudományos kutatások dzsungelébe, és a mélyebb fizikai összefüggésekbe, inkább csak említésszerűen utalnék a sejtkoncentráció jelentőségére a kavitációs jelenséggel kapcsolatban (20. ábra).

1,117MHz frekvencián különböző intenzitásszintek mellett liofilizált Saccharomyces cerevisiae élesztőgombát és az élesztőgomba átlagos sejtnagyságával megegyező nagyságú szemcsékből álló dolomitliszt szuszpenziót alkalmaztam modellanyagként, annak vizsgálatára, hogy meghatározzam, hol van a kavitációnak, illetve az állóhullámnak a határkoncentrációja.

A határkoncentráció az a koncentráció, ahol az egyik akusztikai jelenség a másikkal szemben küszöbszerűen dominanciára jut, vagyis esetemben a tranziens és a stabil kavitációból állóhullám, majd állóhullámból akusztikai áramlás alakul ki. A későbbiekben látjuk majd, hogy azért elengedhetetlenül fontos ennek a küszöbértéknek az ismerete, mert e nélkül nem lehet biztonságosan ultrahangos munkát végezni. A küszöbérték ismeretének hiányában csak vakrepülés az általunk végzett tevékenység. Az egyes akusztikai jelenségeknek ugyanis teljesen eltérő biológiai, fizikai és kémiai hatása van az anyagra.

A kísérleteket pohárszerű kialakítású alulról besugárzott akusztikai kamrában hajtottam végre (26. ábra), de bármilyen ultrahang berendezés esetén elvégezhető ez a vizsgálat. A továbbiakban ajánlanám ezt azoknak, akik sejtfeltárást, vagy roncsolást, ülepítést végeznek az ultrahang segítségével.

A kísérleteket alap és kiegészítő módszer szerint hajthatjuk végre, melynek az a lényege, hogy az alapvizsgálatnál egy adott folyadékmennyiséget helyezve a kezelőedénybe (26. ábra), majd az ultrahangot rákapcsolva, a kavitáció jelenségének a jelenléte mellett, addig szórjuk a modellszemcséket a hangtérbe, amíg a tranziens kavitációs zaj hallható. Ezután a maradék szemcsemennyiséget visszamérve, illetve a vizsgálatot többször megismételve, alakul ki az alapvizsgálat végeredménye, a fogyott anyagmennyiségre vonatkozóan, egy adott ultrahang teljesítményre. Vagyis innen kapjuk meg a diszpergáló közeg mennyiségének az ismeretében a kavitációs határkoncentrációt. A kiegészítő módszerrel pontosítható tovább a kapott eredmény, megközelítéses módszer segítségével.

 

 

20. Ábra: Kavitációs határkoncentráció alakulása az alkalmazott ultrahang teljesítmény függvényében, különböző modellanyagok esetén (Forrás: Lőrincz, A., 2003)

 

Látható a 20. ábrán, hogy mindkét modellanyag esetében növekedett a kavitációs határkoncentráció az ultrahang teljesítmények növelésével.

Ezt az eredmény a gyakorlat számára lefordítva azt jeleni, hogy az egyre magasabb amplitúdókkal egyre magasabb koncentrációjú szuszpenziók, vagy valódi oldatok mellett vagyunk képesek kialakítani a kavitáció jelenségét. Tehát amennyiben például sejtfeltárást folytatunk és a sejtszuszpenzió koncentrációja a kavitáció jelenlétének megfelelő koncentrációhoz szükségeshez képest relatíve magasabb, abban az esetben növelnünk kell az ultrahang intenzitást ahhoz, hogy a célunkat a kavitáció segítségével elérjük. Ha az intenzitás további növelésére nincs mód, akkor a szuszpenziót fel kell hígítani, ugyanis a kavitáció kialakulásánál nem a hangtérben lévő anyagmennyiség számít, hanem kizárólag csak a koncentráció. A diszpergálószerrel történő hígítás azért is hatékony, mivel az általában sok kavitációs magot vihet magával az anyagba, amely láncreakciószerűen váltja ki a heves akusztikai jelenséget. Ez persze logikus megállapítás, azonban az alkalmazott gyakorlat, de még az alkalmazó tudományos világ számára sem teljesen egyértelmű a szakcikkek alapján, így egy trükk lehet a célirányos ultrahang felhasználás érdekében.

Ahhoz pedig, hogy a már az előzőekben oly sokat emlegetett roncsoló hatású tranziens kavitáció ultrahangtérbeli jelenlétéről minden kétséget kizáró bizonyítékot adjak közre, elegendő rápillantanunk egy frekvenciaanalizáló szoftver 21. ábrán látható szonogramjára. A 21. ábrán kiválóan megfigyelhető a kavitációmentes háttérzaj és az erre szuperponálódó kavitációs + háttérzaj ábrája közötti különbség. A frekvenciaanalízist, a minden egészséges ember számára jól hallható 4-6kHz frekvenciatartományban végeztem el és jól látható a körben elhelyezkedő kiemelkedő oszlop a jobboldali 21.B. ábrán, mely a kavitációs zajkibocsátást mutatja. A kavitációs zaj a tranziens kavitáció sziszegéséből, pattogásából, illetve a stabil kavitáció alharmónikus kibocsátásából származik.

 

 

21. Ábra: A kavitáció által kibocsátott 5kHz körüli frekvenciatartományok szonogramjai, (Abszcissza: frekvencia (Hz), ordináta: intenzitás (mV). Balról háttérzaj, jobbról kavitációs + háttérzaj.) (Forrás: Lőrincz, A., 2003)