Abstract
The paper looked into the effects of the spectral properties (waveform) of the high intensity focused ultrasound on suppression of the ultrasonic cavitation. Three different types of ultrasound were considered in the study, which were sinusoidal (1 MHz, 5 MPa), frequency modulated (from 1 MHz to 6 MHz for 10 ㎲, 5 MPa), asymmetrically shocked (fundamental frequency 1 MHz, peak positive pressure 12 MPa, peak negative pressure -4 MPa). The temporal response of an air bubble in water initially 1 ㎛ in radius to each type of the ultrasound was predicted using Gilmore bubble dynamic model and Church's rectified gas diffusion equation. It was shown that the radially pulsating amplitude of the bubble was greatly reduced for the frequency modulated wave and was little decreased for the shock wave, compared to the case that the bubble was exposed to the sinusoidal wave. It is interesting that the bubble response to the frequency modulated wave remains similar when the frequency component of the modulated ultrasound is beyond the bubble resonant frequency 3 MHz. This implies that, although the ultrasound is modulated up to 3MHz rather than up to the present 6 MHz, it is likely to produce similar cavitation suppression effects. In practice, it means that a typical narrow band ultrasonic transducer can be taken to generate an appropriate frequency modulated ultrasound to reduce cavitation activity. The present study indicates that ultrasonic cavitation may be suppressed to some extent by a proper spectral modification of high intensity ultrasound.
본 논문에서는 고강도 집속형 초음파의 주파수 특성(파형)에 따른 초음파 공동 현상을 억 제하는 효과를 살펴보았다. 본 연구에서는 세가지 파형, 즉, 정현파(1 MHz, 5 MPa), 주파수 변조파(10 ㎲ 동안 1 MHz에서 6 MHz까지 선형적으로 증가, 5 MPa), 비대칭 충격파(기 본 주파수 1 MHz, 양압 12 MPa, 음압 -4 MPa)를 고려하였다. 동일한 강도(833 W/㎠)를 가지는 각 초음파에 노출된 초기 반경이 1 ㎛인 물 속에 있는 공기 기포의 반응을Gilmore bubble dynamic model 및 Church's rectified gas diffusion equation을 이용하여 예측하였다. 기포 진동의 크기는, 정현파에 노출된 경우와 비교하여, 주파수 변조된 초음파의 경우 현저히 감소하였고, 비대칭 충격파의 경우 약간 감소함을 볼 수 있었다. 흥미롭게도 주파수 변조파에 대한 기포의 반응은 변조된 초음파의 주파수 성분이 기포의 공진 주파수(3 MHz) 이상에서는 거의 동일하게 유지되는 것으로 나타났다. 이 사실은 주파수 변조를 현재의 1 MHz부터 6 MHz까지에서 1 MHz부터 3 MHz까지로 줄여도 유사한 공동 억제 효과를 얻을 수 있음을 암시한다. 실용적으로, 비교적 좁은 밴드 폭을 가지는 범용 초음파 변환기를 이 용하여 초음파의 공동 현상 억제 효과를 얻기 위한 주파수 변조를 구현할 수 있음을 의미한다. 본 연구의 결과는 초음파의 적절한 주파수 성분 조절로 초음파의 공동 현상을 일정 수준 억제할 수 있음을 시사한다.
