声场中空化气泡的耦合振动及形状不稳定性的研究

计算了两个具有非球形扰动的气泡所组成系统的能量,并基于Lagrange方程得到了有声相互作用的非球形气泡的动力学方程和形状稳定性方程,研究了声场中非球形气泡间相互作用力对非球形气泡的形状不稳定性和气泡形状模态振幅的影响.研究结果表明声场中具有非球形扰动的气泡之间的耦合方式有两种:形状耦合模式和径向耦合模式,气泡之间的耦合方式取决于气泡形状扰动模态.由形状耦合及径向耦合产生的气泡之间的相互作用力能够改变单个气泡的形状不稳定及形状模态振幅,具体影响因素取决于声场驱动条件、气泡形状模态、相邻气泡的初始半径.     

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     

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.     

非球形效应对强声场中次Bjerknes力的影响

考虑了非球形气泡在声场中的形状振动,推导了非球形气泡和球形气泡之间的次Bjerknes力方程,数值模拟了声场中非球形气泡和球形气泡之间的次Bjerknes力和两个球形气泡之间的次Bjerknes力,并对非球形气泡和球形气泡之间的次Bjerknes力的影响因素进行了分析讨论.研究结果表明:当驱动声压振幅大于非球形气泡的Black阈值且又能使得非球形气泡稳定振动时,在第一个声驱动周期内,非球形气泡和球形气泡之间的次Bjerknes力和两个球形气泡的次Bjerknes力方向差异较大,在大小上是两个球形气泡次Bjerkens力的数倍,且有着更长的作用距离.非球形气泡和球形气泡之间的次Bjerknes力取决于非球形气泡的形状模态、两个气泡初始半径的比值、驱动声压振幅、气泡间距和两个气泡的相对位置.     

超声场中单气泡的平移和非球形振动

基于摄动理论和广义伯努利方程,推导出单气泡在超声场中径向振动方程、平移方程和气泡形变方程.数值计算这3个方程,可以得到气泡半径、气泡中心的位移和气泡形变随时间的演化图.计算结果表明:当气泡初始半径和驱动声压不变时,气泡中心初始平移速度增大,气泡径向振动几乎不变,但气泡中心位移和形变量增大,气泡非球形振动愈加明显.当初始平移速度比较小时,气泡的R_0-p_a相图中,不稳定区域仅集中在高驱动声压区域.随着气泡中心初始平移速度不断增大,半径和驱动声压均较小的区域开始呈现不稳定性,且整体不稳定空间范围逐渐增大.另外,气泡在声驻波场中不同位置呈现出不同的振动特征.离波腹点越近的气泡,其径向振动幅度越大,但气泡的平移和形变量变化很小,R_0-p_a相图中不稳定性区域平面分数之间的误差小于4%.     

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.     

基于2-2型压电复合材料的新型宽频带径向振动超声换能器

本文提出了一种基于2-2型压电复合材料的新型宽频带径向振动超声换能器,它主要由内金属圆环和外压电陶瓷复合材料圆环组成.首先利用Newnham串并联理论和均匀场理论推导了2-2型压电复合材料的等效参数;其次利用解析法得到了金属圆环和径向极化压电复合陶瓷圆环径向振动的机电等效电路;最后得到了换能器的六端机电等效电路,从而得到了换能器的频率方程.接着分析了换能器共振频率和反共振频率以及有效机电耦合系数与几何尺寸、两相体积占比的关系,采用仿真软件对新型换能器的径向振动进行了数值模拟.结果表明,利用解析法得到的共振频率和反共振频率与数值模拟结果吻合较好.此外,对换能器在水下的辐射声场进行了仿真研究,结果表明新型复合材料径向换能器相比传统纯陶瓷径向换能器,发射电压响应幅值更大,工作带宽提高接近一倍,声匹配更佳.     

鼓泡床中超声驻波的模拟及其对气泡的调制机理

采用计算流体动力学（CFD）的方法，数值生成了鼓泡床中一对声换能器以16kHz高频振动引发的超声场。数值计算是基于包括粘性影响的可压缩流体基本守恒方程，并耦合了水的状态方程。模拟结果表明，在本研究所用的几何布置和换能器与时间相关的速度入口边界条件下，反应器中形成了一个稳定的驻波声场；由于波的非线性以及水的粘性，压力波节点呈现出轻微的时间漂移性。模拟结果与前人的实验结果定性吻合。在模拟的声压分布的基础上，分析了驻波声场调制气泡的机理。如比较熟知，气泡在驻波声场作用下或者向压力波节点运动或者向压力波腹点运动，取决于气泡尺寸与共振尺寸的关系。     

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     

石英毛细管椭球微气泡模式特性及传感技术

利用有限元数值分析方法研究了椭球状石英毛细管微气泡回音壁模式特性及其折射率传感性能.计算分析了不同半径与内壁厚度情况下空芯和液芯椭球形微气泡模式特征,包括品质因数、有效折射率和能量比等,并探讨了微气泡在高灵敏度和高分辨率折射率传感方面的应用潜能.研究结果表明微气泡膨胀至350μm,且内壁厚度为1μm时分辨率和灵敏度最佳;在该厚度范围附近,微气泡分辨率不会因为半径尺寸的改变而发生太大变化;二阶径向模具有较高品质因数,其灵敏度略高于一阶基模,且使用二阶径向模可降低在制造时对结构壁厚控制精度的要求,可用于实际传感应用中.研究结果对微气泡的进一步实验研制具有理论参考价值.