Dual frequency ultrasonic cavitation in various liquids: High-speed imaging and acoustic pressure measurements

空化 声学 超声波传感器 气泡 冲击波 物理 休克(循环) 传感器 声压 光学 机械 医学 内科学
作者
Justin A. Morton,Mohammad Khavari,Abhinav Priyadarshi,Amanpreet Kaur,Nicole Grobert,Jiawei Mi,Kyriakos Porfyrakis,Paul Prentice,Dmitry Eskin,Iakovos Tzanakis
出处
期刊:Physics of Fluids [American Institute of Physics]
卷期号:35 (1) 被引量:26
标识
DOI:10.1063/5.0136469
摘要

Ultrasonic cavitation is used in various processes and applications, utilizing powerful shock waves and high-speed liquid jets generated by the collapsing bubbles. Typically, a single frequency source is used to produce the desired effects. However, optimization of the efficiency of ultrasound reactors is necessary to improve cavitation activity in specific applications such as for the exfoliation of two dimensional materials. This research takes the next step to investigate the effect of a dual frequency transducer system on the bubble dynamics, cavitation zone, pressure fields, acoustic spectra, and induced shock waves for four liquids with a range of physical properties. Using ultra-high-speed imaging and synchronized acoustic pressure measurements, the effect of ultrasonic dual frequencies on bubble dynamics was investigated. The addition of a high frequency transducer (1174 kHz) showed that the bubble fragments and satellite bubbles induced from a low frequency transducer (24 kHz) were able to extend their lifecycle and increase spatial distribution, thus, extending the boundaries of the cavitation zone. Furthermore, this combination of ultrasonic frequencies generated higher acoustic pressures (up to 180%) and enhanced the characteristic shock wave peak, indicating more bubble collapses and the generation of additional shock waves. The dual frequency system also enlarged the cavitation cloud size under the sonotrode. These observations specifically delineated the enhancement of cavitation activity using a dual frequency system pivotal for optimization of existing cavitation-based processing technologies.
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