低频超声空化场中柱状泡群内气泡的声响应

本文在气泡群振动模型的基础上,考虑气泡间耦合振动的影响,得到了均匀柱状泡群内振动气泡的动力学方程,以此为基础分析了低频超声空化场中柱形气泡聚集区内气泡的非线性声响应特征.气泡间的耦合振动增加了系统对每个气泡的约束,降低了气泡的自然频率,增强了气泡的非线性声响应.随着气泡数密度的增加,气泡的自然共振频率降低,受迫振动气泡受到的抑制增强.数值分析结果表明:1)驱动声波频率越低,气泡的初始半径越小,气泡数密度变化对气泡最大半径变化幅度的影响越大;2)气泡振动幅值响应存在不稳定区,不稳定区域分布与气泡初始半径、驱动声波压力幅值、驱动声波频率等因素有关.在低频超声波作用下,对初始半径处在1—10μm之间的空化气泡而言,气泡初始半径越小,气泡最大半径不稳定区分布范围越大,表明小气泡具有更强的非线性特征.因此,气泡初始半径越小,声环境变化对空化泡声响应稳定性影响越显著.     

球状泡群内气泡的耦合振动

振动气泡形成辐射场影响其他气泡的运动, 故多气泡体系中气泡处于耦合振动状态. 本文在气泡群振动模型的基础上, 考虑气泡间耦合振动的影响, 得到了均匀球状泡群内振动气泡的动力学方程, 以此为基础分析了气泡的非线性声响应特征. 气泡间的耦合振动增加了系统对每个气泡的约束, 降低了气泡的自然共振频率, 增强了气泡的非线性声响应. 随着气泡数密度的增加, 振动气泡受到的抑制增强; 增加液体静压力同样可抑制泡群内气泡的振动, 且存在静压力敏感区(1–2 atm, 1 atm=1.01325×10⁵ Pa); 驱动声波对气泡振动影响很大, 随着声波频率的增加, 能够形成空化影响的气泡尺度范围变窄. 在同样的声条件、泡群尺寸以及气泡内外环境下, 初始半径小于5 μm 的气泡具有较强的声响应. 气泡耦合振动会削弱单个气泡的空化影响, 但可延长多气泡系统空化泡崩溃发生的时间间隔和增大作用范围, 整体空化效应增强.     

空化场中大气泡对空化泡振动的抑制效应分析

为探究空化场中多气泡之间的相互作用,结合观察到的注入大气泡周围飞舞的小气泡的实验现象,构建了由两个大气泡和一个空化泡组成的三气泡系统,通过考虑气泡间相互作用的时间延迟效应以及大泡的非球形振动,得到修正的气泡动力学方程组,并数值分析了气泡的振动模态、平衡半径、声波压力与频率等参量对小空化气泡的振动行为与所受次级Bjerknes力的影响.结果表明,大气泡的非球形效应主要表现为一种近场效应,对空化泡的振动影响很小,几乎可以忽略不计.大气泡可抑制空化泡的振动,但当大气泡半径接近于共振半径时,空化泡振动幅值曲线出现共振峰,即存在耦合共振响应.大气泡半径越大,对空化泡抑制作用越强,当空化泡处在两个毫米级大气泡附近时抑制更加显著.声波压力与频率不仅直接影响气泡的振动,还影响空化泡与大气泡之间相互作用的强弱,表现为空化泡所受的次级Bjerknes力在特定的大气泡半径范围内变得对气泡尺寸变化较为敏感,即小的大气泡半径变化可能导致明显的力大小变化,且不同驱动频率下,空化泡所受次级Bjerknes力的敏感半径分布区间不同.空化泡受到的次级Bjerknes力在距离较小或者较大时均可能表现为斥力,与实验观察现象...     

双气泡振子系统的非线性声响应特性分析

对初始半径不同的双气泡振子系统在声波作用下的共振行为和声响应特征进行了分析.利用微扰法分析了双泡系统的非线性共振频率,由于气泡间耦合振动的非线性影响,双泡系统存在双非线性共振频率.倍频共振和分频共振现象的存在使得双泡系统振幅-频率响应曲线有多共振峰,且随着非线性增强,共振区向低频区移动.通过对气泡平衡半径、双泡平衡半径比以及气泡间距的分析发现,耦合作用较强的情形发生在系统共振频率附近、气泡半径比接近1以及气泡间距小于10R_(10)的范围内,同时观察到了此消彼长的现象,充分体现了气泡在声场中能量转换器的特征.     

弹性管中泡群内气泡的非线性声响应

将弹性管壁视为膜弹性结构,得到了管径较大弹性管中泡群内气泡弱非线性振动的动力学模型.利用逐级近似法对气泡的非线性共振频率、基频振动响应特性进行了理论分析.结果表明:气泡共振频率主要受泡群内气泡间相互作用的影响;气泡的非线性共振频率将发生偏移,其偏移量取决于共振响应振幅;气泡的声响应区存在最大频率值;在声响应的高频率区内声响应幅值有多值性.     

考虑水蒸气蒸发和冷凝的球状泡群中泡的动力学特性

为了深入探究空化泡群中气泡的动力学特性,建立了超声驱动下考虑水蒸气的蒸发和冷凝的泡群中泡的动力方程.基于该方程,研究了泡群中泡的位置、泡的数量、泡的初始半径对其动力学特性的影响,探究了超声作用下球状泡群中气泡半径、能量、温度、压力和气泡内水蒸气分子数的变化规律.结果表明:泡群中泡的运动受到周围气泡的抑制作用;泡群中泡的初始半径大小对泡群中泡的半径、能量、温度、压力和气泡内水蒸气分子数有显著影响;泡群中泡的位置距离泡群中心越远,泡的膨胀半径越大;随着泡群中泡的数目增加,泡的振幅减小;超声频率增加,泡群中泡的空化效应减弱;超声声压增加,泡群中泡的空化效应增加.研究结果为超声空化泡群的研究提供了理论参考.     

含混合气泡液体中声波共振传播的抑制效应

当声波在含气泡的液体中传播时会出现共振传播现象,即在气泡的共振频率附近声衰减和声速会显著地增大,这是声空化领域的一个重要现象.以往的研究一般假设液体中只存在单一种类的气泡,因此忽略了声波共振传播的某些重要信息.本文研究了含混合气泡液体中声波的共振传播,混合气泡是指液体中包含多种静态半径不同的气泡.结果显示:在这种系统中存在声波共振传播的抑制效应,即与含单一种类气泡的系统相比,在含混合气泡的系统中声波的共振衰减和共振声速会明显变小.对于两种气泡混合、多种气泡混合以及气泡满足某种连续分布的系统,研究了抑制效应的本质和主要特征,此外还探究了黏性和空化率等对抑制效应的影响.本文的研究结果是对该领域现有知识的必要补充.     

声波在含气泡液体中的线性传播

为了探讨含气泡液体对声波传播的影响, 研究了声波在含气泡液体中的线性传播. 在建立含气泡液体的声学模型时引入气泡含量的影响,建立气泡模型时引用 Keller的气泡振动模型并同时考虑气泡间的声相互作用,得到了经过修正的气泡振动方程. 通过对含气泡液体的声传播方程和气泡振动方程联立并线性化求解,在满足 (ω R₀)/c << 1 的前提下,得到了描述含气泡液体对声波传播的衰减系数和传播速度. 通过数值分析发现,在驱动声场频率一定的情况下,气泡含量的增加及气泡的变小均会导致衰减系数增加和声速减小;气泡的体积分数和大小一定时, 驱动声场频率在远小于气泡谐振频率的情况下,声速会随驱动频率的增加而减小; 气泡间的声相互作用对声波传播速度及含气泡液体衰减系数的影响不明显.最终认为气泡的大小、 数量和驱动声场频率是影响声波在含气泡液体中线性传播的主要因素. 关键词： 含气泡液体 线性声波 声衰减系数 声速     

超声波声孔效应中气泡动力学的研究

在超声快速制取组织细胞病理切片的过程中，发现激励信号对切片制取效果有明显的影响.为了掌握超声激励信号对组织细胞的影响规律，达到快速制取病理切片的最佳状态，从气泡空化模型入手，通过改变激励信号频率、声压、气泡初始半径和液体黏滞系数等参量，研究了声孔效应中气泡动力学激励机制.数值计算表明：空化泡振动随激励声压增强而升高，随液体黏滞系数增强而减弱；一定频率范围内空化泡振动能保持在膨胀、收缩和振荡的稳定空化状态，存在空化泡稳态振动的最佳激励频率；一定初始半径能保证空化泡产生稳定的振动，存在空化泡稳态振动幅度最大的初始半径.实际操作中，在频率、声压、初始半径和黏滞系数综合作用的若干空化阈内，声孔效应使超声快速法制取细胞组织切片获得最佳效果. 关键词： 声孔效应 超声空化 气泡振动 稳态空化域     

双泡耦合声空化动力学过程模拟

为了对双泡耦合的声空化过程进行模拟,本文从流体动力学控制方程和流体体积分数模型出发,在Fluent软件中构建双泡耦合超声空化三维有限元仿真模型,对超声波驱动下流体中双泡耦合声空化动力学过程进行数值模拟,并通过对空化气泡周围声场的变化进行分析研究双泡耦合声空化的非线性动力学特性.结果显示:在超声波驱动下,球形气泡先缓慢扩张,扩张到最大半径后迅速收缩直至溃灭;耦合双气泡间存在相互作用力,使得空化气泡的扩张受到抑制、气泡收缩时间增长;空化气泡在收缩阶段的能量转换能力增强,相比单气泡声空化,耦合双气泡溃灭时气泡内部的压强更大.本文分析结果将为超声空化泡群的动力学过程模拟提供参考.     

Nonlinear oscillation and acoustic scattering of bubbles

The scattered acoustic pressure and scattered cross section of bubbles is studied using the scattered theory of bubbles. The nonlinear oscillations of bubbles and the scattering acoustic fields of a spherical bubble cluster are numerically simulated based on the bubble dynamic and fluid dynamic. The influences of the interaction between bubbles on scattering acoustic field of bubbles are researched. The results of numerical simulation show that the oscillation phases of bubbles are delayed to a certain extent at different positions in the bubble cluster, but the radii of bubbles during oscillation do not differ too much at different positions. Furthermore, directivity of the acoustic scattering of bubbles is obvious. The scattered acoustic pressures of bubbles are different at the different positions inside and outside of the bubble cluster. The scattering acoustic fields of a spherical bubble cluster depend on the driving pressure amplitude, driving frequency, the equilibrium radii of bubbles, bubble number and the radius of the spherical bubble cluster. These theoretical predictions provide a further understanding of physics behind ultrasonic technique and should be useful for guiding ultrasonic application.     

含气泡液体中气泡振动的研究

研究了含气泡液体中单个气泡在驱动声场一定情况下的振动过程. 让每次驱动声场作用的时间特别短, 使气泡半径发生微小变化后再将其变化反馈到气泡群对驱动声场的散射作用中去, 从而可以得到某单个气泡周围受气泡散射影响后的声场, 接着再让气泡在该声场作用下做短时振动, 如此反复. 通过这样的方法, 研究了液体中单个气泡的振动情况并对其半径变化进行了数值模拟, 结果发现, 在液体中含有大量气泡的情况下, 某单个气泡的振动过程明显区别于液体中只有一个气泡的情况. 由于大量气泡和驱动声场的相互作用, 使气泡半径的变化存在多种不同的振动情况, 在不同的气泡大小和含量的情况下, 半径变化过程分别表现为: 在平衡位置附近振荡的过程; 周期性的空化过程; 一次空化过程后保持某一大小振荡的过程; 增长后维持某一大小振荡的过程等. 所以, 对于含气泡液体中气泡振动的研究, 在驱动声场一定的情况下, 必须考虑气泡含量的因素. 关键词： 含气泡液体 超声空化 散射 数值模拟     

两种气泡混合的声空化

将非线性声波方程和改进的Rayleigh-Plesset方程联立可以描述空化环境中的声场及相应的气泡动力学特征. 用时域有限差分方法模拟了圆柱形容器内两种气泡相互混合时的空化情况. 在烧杯内的稳态背景声场形成过程中, 瓶壁耗散吸收扮演了重要的角色. 在稳态背景声场的基础上, 分析了混合气泡与声场的相互作用、气泡之间的相互作用、混合情况下的频谱特性. 结果表明: 两种气泡平衡半径都不太大时, 气泡与声场的相互作用不强, 声场及气泡的行为也比较规律; 相反, 当其中一种气泡平衡半径相对比较大时, 声场与气泡具有较强的非线性相互作用, 声场及气泡的行为表现出复杂的特性.     

双泡模型共振频率的超声空化动力学研究

该研究旨在研究双泡模型的自然共振频率对超声空化的影响,通过理论计算研究了自然共振频率的影响因素,以及单频超声和双频超声与自然共振频率的关系。研究结果表明：气泡初始半径是影响自然共振频率的主要因素;低频驱动下的非线性波动程度会比高频的更加剧烈,当驱动频率等于气泡自然共振频率时,超声空化的效果更好;双频超声取气泡自然共振频率时超声空化效果远远优于单频超声驱动。该研究在超声医学和理解超声空化特性方面有着重要的意义。     

次Bjerknes力作用下气泡的体积振动和散射声场

利用Lagrange方程得到了次Bjerknes力作用下气泡的体积振动方程,并探讨了次Bjerknes力作用下不同参数对气泡体积振动振幅和振动初相位的影响,研究了振动初相位差为π和0的气泡对在液体中形成的散射声场特征.结果表明:次Bjerknes作用力下,相邻气泡半径、气泡间距、多方指数均能影响气泡的体积振动振幅,气泡对的均衡半径、气泡间距和驱动频率则对气泡振动初相位产生明显影响;相距很近、相位相差为π的两个气泡的散射声压与气泡体积振动振幅、气泡间距、驱动频率和振动初相位有关,随声场距离成反比减小,与声场位置有关,其平均散射声功率是单个孤立气泡的1/6(kd_(12))~2半径相同、相距很近、相位相同的两个6气泡的散射声压与气泡振动初相位、体积振动振幅、气泡间距、驱动频率有关,随声场距离成反比减小,其平均散射声功率是单个孤立气泡的4倍.     

Oscillation and Migration of Bubbles within Ultrasonic Field

The oscillation and migration of bubbles within an intensive ultrasonic field are important issues concerning acoustic cavitation in liquids.We establish a selection map of bubble oscillation mode related to initial bubble radius and driving sound pressure under 20 kHz ultrasound and analyze the individual-bubble migration induced by the combined effects of pressure gradient and acoustic streaming.Our results indicate that the pressure threshold of stable and transient cavitation decreases with the increasing initial bubble radius.At the pressure antinode,the Bjerknes force dominates the bubble migration, resulting in the large bubbles gathering toward antinode center,whereas small bubbles escape from antinode.By contrast,at the pressure node,the bubble migration is primarily controlled by acoustic streaming,which effectively weakens the bubble adhesion on the container walls,thereby enhancing the cavitation effect in the whole liquid.     

多层膜磁性微泡的非线性声振动特性

超顺磁性氧化铁纳米粒子与造影剂微泡结合形成磁性微泡,用于产生多模态造影剂,以增强医学超声和磁共振成像.将装载有纳米磁性颗粒的微泡包膜层看作由磁流体膜与磷脂膜组合而成的双层膜结构,同时考虑磁性纳米颗粒体积分数a对膜密度及黏度的影响,从气泡动力学基本理论出发,构建多层膜结构磁性微泡非线性动力学方程.数值分析了驱动声压和频率等声场参数、颗粒体积分数、膜层厚度以及表面张力等膜壳参数对微泡声动力学行为的影响.结果表明,当磁性颗粒体积分数较小且a≤0.1时,磁性微泡声响应特性与普通包膜微泡相似,微泡的声频响应与其初始尺寸和驱动压有关;当驱动声场频率f为磁性微泡共振频率f0的2倍(f=2f0)时,微泡振动失稳临界声压最低;磁性颗粒的存在抑制了泡的膨胀和收缩但抑制效果非常有限;磁性微泡外膜层材料的表面张力参数K及膜层厚度d也会影响微泡的振动,当表面张力参数及膜厚取值分别为0.2—0.4 N/m及50—150 nm时,可观察到气泡存在不稳定振动响应区.     

超声珩磨区实际气体的单空泡动力学分析

为进一步揭示功率超声振动的珩磨机理,以珩磨液为工作介质,研究了功率超声珩磨环境中实际气体的单空泡动力学特性。基于Rayleigh-Plesset方程,应用实际气体绝热方程和范德瓦尔斯方程对其进行了修正,建立了功率超声珩磨环境中实际气体的单空泡动力学方程以及实际气体单空泡共振频率方程。并运用4~5阶RungeKutta法模拟了不同超声条件(声压幅值、空泡初始半径、振动频率)对泡壁的运动以及运动速度的影响。结果表明:较高的声压幅值,空泡理论共振半径R'0与初始半径R0的比值为102数量级以及较低的超声频率有利于超声珩磨磨削区空化效应的发生。