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瞬态单一声空化气泡的动力学过程及空化发光

吴先梅  
【摘要】: 本报告主要研究了瞬态单一声空化气泡的产生和长消过程、发光效应,并结合实验,应用Rayleigh-Plesset方程模拟了在力学负脉冲作用下空化气泡的动力学过程。 实验中选择了丙酮、酒精、蒸馏水、甘油和硅油五种不同的液体作为研究的对象,比较了不同液体中声空化气泡的运动过程及其发光效应。 应用高速CCD和玻璃管底的压电片研究了气泡的运动过程和液体中的声场。结果发现,声空化气泡都是从所测得液体中压力信号的一个小负压处开始生长,到达厘米级最大半径后开始收缩直至崩溃,崩溃时产生很强的冲击波。分析认为,在玻璃管被突然制动时,管内液体在管底产生了一个较强的拉伸脉冲波,使得预先“种植”的气泡核生长、压缩和崩溃。五种不同的液体中空化气泡的运动各具特色。其中丙酮和酒精中空化气泡的行为很相似,水和它们略有不同,硅油和甘油则很接近。 对五种液体中空化气泡的发光研究发现,其崩溃时发光强度由弱到强的顺序为:丙酮、酒精、蒸馏水、甘油、硅油,与其蒸汽压由大到小的排列顺序表现为一致。还发现,液柱高度与发光强度有一定的关系;瞬态单一空化气泡的发光强度比稳态单一空化气泡的发光强度一般约高一个数量级;甘油水溶液中空化气泡的发光强度随着甘油的浓度增加而有明显地增加。实验中还发现,气泡在刚开始生长时有过去未见报道过的微弱发光。 为了分析压力信号与气泡运动变化二者间关系,我们应用Rayleigh-Plesset方程模拟了在力学负脉冲作用下在几种不同的液体、气泡或负压脉冲参数时空化气泡的动力学过程。 在对不同液体进行计算时发现,丙酮和酒精的计算结果几乎完全相同,水与它们有一些不同,硅油和甘油的结果比较接近,而和前三种有较大差异。计算还发现,初始半径R0、压力负脉冲的幅度对气泡的运动变化有着很显著的影响,压力负脉冲的宽度及其下降沿和上升沿的斜率也会对R-t曲线产生一定的影响,但是其影响较小。 所得计算结果还很粗略。尽管如此,计算结果对理解实验中的一些现象可以起到一些启发作用。 本工作得到了国家自然科学基金(19934001)和声场声信息国家重点实验室开放基金(0208)的支持。


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