home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NetNews Usenet Archive 1992 #31 / NN_1992_31.iso / spool / sci / physics / 21734 < prev    next >
Encoding:
Text File  |  1992-12-24  |  4.9 KB  |  98 lines
  1. Newsgroups: sci.physics
  2. Path: sparky!uunet!gatech!concert!uvaarpa!murdoch!kelvin.seas.Virginia.EDU!crb7q
  3. From: crb7q@kelvin.seas.Virginia.EDU (Cameron Randale Bass)
  4. Subject: Re: can sound waves boil water?
  5. Message-ID: <1992Dec24.173418.28563@murdoch.acc.Virginia.EDU>
  6. Sender: usenet@murdoch.acc.Virginia.EDU
  7. Organization: University of Virginia
  8. References: <1992Dec22.151439.29874@nuscc.nus.sg> <1992Dec22.173302.7146@murdoch.acc.Virginia.EDU>
  9. Date: Thu, 24 Dec 1992 17:34:18 GMT
  10. Lines: 86
  11.  
  12. In article <1992Dec22.173302.7146@murdoch.acc.Virginia.EDU> crb7q@kelvin.seas.Virginia.EDU (Cameron Randale Bass) writes:
  13. >In article <1992Dec22.151439.29874@nuscc.nus.sg> eng10370@nusunix1.nus.sg (CHEW JOO SIANG) writes:
  14. >>I was thinking of this the other day - we all know that a microwave oven
  15. >>works by resonating the water molecules at its natural frequency - this
  16. >>causes a rise in its temperature. The question is, can we do the same
  17. >>with sound waves - using it to resonate the water molecules. I know that
  18. >>you need incredibly high frequecies to achieve it but is the concept
  19. >>sound theoretically?
  20. >
  21. >    a)  That is not the way microwaves work.  Try "Dielectrics and Waves"
  22. >        by Von Hipple, available at research libraries everywhere.
  23. >    b)  Yes, one can induce boiling and cavitation by sound. Try 
  24. >        "Cavitation" by Young, available at research libraries everywhere,
  25. >        and any treatise on ultrasonics.
  26. >    c)  Depending on what you mean by 'incredibly high' frequencies
  27. >        and 'resonate', your statements above may not be an accurate
  28. >        portrayal of the physical circumstances under which this happens.
  29.  
  30.      I didn't have time the other day, but here goes.  Yes, there are several
  31.      phenomena that could reasonably be construed as 'boiling' in liquid
  32.      (specifically water for the purposes of this discussion) under the
  33.      influence of sound.  Two that come to mind are a) cavitation
  34.      and b) heating.  Cavitation involves the extremely localized creation
  35.      of the necessary thermal conditions for vapor-phase creation, while 
  36.      heating comes simply from the fluid's absorption of sound energy averaged
  37.      over time and space.  
  38.   
  39.      Focusing solely on heating, a fluid is characterized by a certain
  40.      attenuation of the incident sound wave.  A part of this attenuation
  41.      (usually a large part) is due to heat generation in the medium
  42.      and is described by an absorption or attenuation coefficient.  For
  43.      a homogeneous medium like water, the two coefficients are the same.
  44.      In general, the absorption is less than the attenuation. For 
  45.      water, typical coefficients are:
  46.  
  47.            Freq (MHz)          \alpha (dB/cm)
  48.  
  49.            0.2                 0.000088
  50.            1.0                 0.0022
  51.            10.0                0.22
  52.            100.0               22.0
  53.  
  54.      In monged units, the heating rate due to the sound waves can easily be 
  55.      given by 
  56.  
  57.             Heating rate = 0.055 * \alpha * I
  58.  
  59.      where \alpha is given in dB/cm, I is the intensity of the incident 
  60.      radiation given in W/cm^2 and heating rate is given in cal/cm^3-s.
  61.      So if we have a 10 Mhz plane wave of field average intensity 10 W/cm^2
  62.      incident on a very thin flat water plate, we will see a roughly
  63.      0.121 cal/cm^3-s heating rate.  For other shapes we could easily
  64.      determine the local time-averaged intensity and integrate the 
  65.      above expression over space to determine the global heating rate.
  66.  
  67.      Now comes the reason for the monged units.  In water, of course, 
  68.      if you put 1 cal into 1 cm^3 you get a 1 C increase in temperature
  69.      (subject to various conditional caveats).  So, in the above situation,
  70.      you'll get about 0.121 C a second temperature rise, or a roughly
  71.      7 C a minute.
  72.     
  73.      So, how 'realistic' is this in the context of the usual ultrasound
  74.      device that the ob-gyn slaps on your wife's burgeoning belly?  Not very,
  75.      for the simple reason that they don't want to boil the fetus.
  76.      Typical spatial-peak temporal average (SPTA) limits on such 
  77.      equipment (pulsed doppler devices) run about about 120-155 mW/cm^2 
  78.      intensity.  Spatial-peak pulse averages are much lower, about 
  79.      18-22 mW/cm^2.
  80.  
  81.      This is not to say that you couldn't boil your coffee with a properly
  82.      constructed device.
  83.  
  84.      Further reading on sonic heating of bone, tissues and fetuses
  85.      can be had by visiting your local medical library or local 
  86.      radiologist.  Most of the information in the above was gleaned from 
  87.      "Biological Effects of Ultrasound" edited by Nyborg and Ziskin.
  88.  
  89.      Now if only someone could give me a good experimental attenuation
  90.      coefficient in 24 K deuterium.
  91.  
  92.                                  dale bass
  93. -- 
  94. C. R. Bass                                          crb7q@virginia.edu        
  95. Department of Mechanical, 
  96.      Aerospace and Nuclear Engineering
  97. University of Virginia                              (804) 924-7926
  98.