声场中双空化泡的运动特性

空化泡的运动特性是声场作用下的动力学行为,受空化泡初始半径,声压幅值,驱动声压频率,液体特性等众多因素的影响,是个复杂工程。本文从双空化泡运动方程出发,考虑到液体粘滞系数、空化泡辐射阻尼项的影响,研究了不同初始半径、驱动声压频率、驱动声压幅值、液体粘滞系数下空化泡泡壁的运动情况,研究结果表明不同初始半径、外界驱动声压频率、驱动声压幅值、液体粘滞系数均会对空化泡的膨胀比和空化泡的溃灭时间有一定影响。     

非线性声场中的参量激发

本文基于求解单频声波方程近似解的方法,得到了非线性声场中谐波的声压与介质性质、初始声压幅值及频率之间的定量关系.并对两列相对声压幅值和相对频率不同情况下的声场分布进行了研究.通过分析单、双频声源辐射场中的谐波分布和传播规律发现:在非线性声场中会不断地出现新的谐波,激发的各阶谐波随着声波传播距离的增大逐渐增强而后减弱.在声源的附近,谐波的声压随基波声压振幅的增大而增大;但在基波的频率增大时反而会减小.在输入总声能相同的情况下,与单频声场相比双频声源辐射场的声能量分布较均匀,声的传播距离较大,远场中的谐波含量较大.结果表明,基波的频率越高,衰减得越快,谐波的积累越缓慢;声压的极值越大,基波声能量转移得越多,产生的谐波越多,基波的衰减越快,声压对远场声能的负效应增大;如果改用多频声源,并适当地控制输入声波的组成成分,可以达到改善声场分布均匀性、增大声辐射距离的效果.     

声场中气泡运动的混沌特性

以水为工作介质,考虑了液体的可压缩性,研究了声场中气泡的运动特性,模拟了声波频率、声压幅值、气泡初始半径以及液体的表面张力和黏滞系数的变化对气泡运动状态的影响. 分析了空化处理效果与气泡运动状态之间关系. 结果表明:气泡运动处于混沌状态,是提高声空化降解有机污染物能力的最重要因素. 关键词： 声空化 混沌 相图 功率谱图     

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     

声驻波场中空化泡的动力学特性

以水为工作介质, 考虑了液体的可压缩性, 研究了驻波声场中空化泡的运动特性, 模拟了驻波场中各位置处空化泡的运动状态以及相关参数对各位置处空化泡在主Bjerknes力作用下运动方向的影响. 结果表明: 驻波声场中, 空化泡的运动状态分为三个区域, 即在声压波腹附近空化泡做稳态空化, 在偏离波腹处空化泡做瞬态空化, 在声压波节附近, 空化泡在主Bjerknes 力作用下, 一直向声压波节处移动, 显示不发生空化现象; 驻波场中声压幅值增加有利于空化的发生, 但声压幅值增加到一定上限时, 压力波腹区域将排斥空化泡, 并驱赶空化泡向压力波节移动, 不利于空化现象的发生; 当声频率小于初始空化泡的共振频率时, 声频率越高, 由于主Bjerknes 力的作用将有更多的空化泡向声压波节移动, 不利于空化的发生, 尤其是驻波场液面的高度不应是声波波长的1/4; 当声频率一定时, 空化泡初始半径越大越有利于空化现象的发生, 但当空化泡的初始半径超过声频率的共振半径时, 由于主Bjerknes力的作用将有更多的空化泡向声压波节移动, 不利于空化的发生.     

声场与电场作用下空化泡的动力学特性

以液体为工作介质, 利用空化泡的RP控制方程, 模拟分析了无量纲化的电场频率、场强的幅值以及无量纲化的声波频率、 声压幅值的变化对空化泡运动特性的影响. 结果表明: 声场和电场联合作用时, 空化泡运动处于混沌区域范围远高于两者单独作用下空化泡的混沌区域范围. 这不仅对声空化的进一步研究具有重要的理论意义, 而且对于提高和改进空化降解有机污染物的技术也具有指导意义.     

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.     

双泡超声空化计算分析

将由速度势叠加原理得到的双泡超声空化动力学微分方程归一化,通过matlab语言编程计算,分析了水中空化泡的线度、双泡间距、声压幅值、声波频率等因素对空化过程的影响. 在双泡超声空化动力学微分方程中引入双频超声,探讨了双泡双频超声问题. 研究表明泡的线度是决定空化特性的主要因素,声压幅值对空化特性的影响最大,其次是超声波的频率;双泡间的相互作用影响空化特性,这种影响随双泡间距的增大而减弱;双频超声对双泡空化特性的影响有限,这种影响在两超声分量的声压幅值相等时较强. 关键词： 超声空化 双泡 双频超声     

除垢超声波传播影响因素的理论研究

从一维平面波理论入手分析了超声波声压分布特性。依据多普勒频移原理,在声场的运动方程,连续性方程,波动方程的基础上,建立一个超声波在流动的液体中传播的控制方程。根据轴对称模型的实际特点,简化了所得方程,并求出解析解。结果表明流动液体可以产生声波的衰减。液体的黏滞性是产生超声波衰减的重要原因。超声波的频率较高,液体的黏滞性对超声波衰减影响明显。依据黏滞力与速度梯度的关系,建立一个超声波在黏滞液体传播的控制方程,并依据边界条件求出解析解,反映了媒质黏滞性对超声波传播尤其是衰减特性的影响。     

声空化泡对声传播的屏蔽特性*

该文介绍了声空化液体中声波被反常吸收的现象,即驱动声压越大,吸收越强,远场声压越低。研究给出其物理机理是高声压导致强空化,空化泡吸收驱动能量辐射高次谐波,高频声波更易被液体吸收,最终形成更低的远场声压。为了克服空化屏蔽,改善声空化的均匀性,提出了改变工作液体的空化阈值的思路。并就简单的双层液体系统进行了计算和实验,结果证实这种思路的正确性。     

超声波作用下泡群的共振声响应

从球状泡群气泡动力学方程出发, 考虑泡群间次级声辐射的影响, 得到了声场中两泡群共同存在时气泡振动的动力学方程, 并以此为基础探讨声波驱动下双泡群振动系统的共振响应特征. 由于泡群间气泡间的相互作用, 系统存在低频共振和高频共振现象, 两不同共振频率的数值与泡群内气泡的本征频率相关. 泡群内气泡的本征频率又受到初始半径、泡群大小和泡群内气泡数量的影响. 气泡自由振动和驱动声波的耦合激起泡群内气泡的受迫振动, 气泡初始半径、气泡数密度和驱动声波频率等都会影响泡群内气泡的振动幅值和初相位. 关键词： 气泡群 共振 声响应 超声空化     

组织内包膜微泡声空化动力学及其力学效应分析

声空化机械效应是聚焦超声治疗的重要物理机制.以脂类包膜微泡/纳米相变液滴为空化核可显著地增强空化效应,本文耦合空化动力学、组织和脂类包膜黏弹性模型,构建了组织内脂类包膜微泡声空化动力学模型,数值分析了微泡声空化动力学行为以及周围组织内机械应力的时空分布规律,并探究了包膜材料、组织黏弹性和驱动声压等关键参数的影响.包膜和组织黏弹性都将抑制微泡振动,但组织黏弹性的抑制作用更大.组织内机械应力在膨胀阶段为挤压应力,而在收缩阶段和反弹初始阶段为拉伸应力,且应力局部分布于微泡壁附近,随着距离增大而显著减小,其中拉伸应力衰减率明显更大.包膜黏弹性可减小应力,但声压较大时,应力减小可忽略不计.应力随着组织弹性增大而减小,随着组织黏度增大而先增大后减小,随着声压增大而增大.本研究可为进一步阐释聚焦超声治疗中组织机械损伤的内在机制奠定重要理论基础.     

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     

强超声在空化液体中的反常衰减

采用自动控制系统,逐点测量了长方形水槽内液体中不同位置的声压。研究发现,随着驱动声压的增大,近场声压持续增大,但衰减速度也加快,而远场声压会经历一个先上升后下降的反常过程。通过对容器中不同位置声压进行频谱分析,得到声波不同频率分量随传播距离的变化规律。结合频谱的分析表明,上述反常过程的原因是高驱动声压下气泡的非线性振动将更多声能量转移至衰减较快的高次谐波,从而导致远场的声压反而低于较低驱动时对应的声压。      

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.     

含气泡液体中的非线性声传播

考虑到分布在液体中的气泡是声波在含气泡液体中传播时引起非线性的一个很重要的因素,本文研究了声波在含气泡液体中的非线性传播.将气体含量的影响引入到声波在液体中传播的方程中,从而得到声波在气液混合物中传播的数学模型.通过对该模型进行数值模拟发现,气体含量、驱动声场声压幅值及驱动声场作用时间均会影响到气液混合物中的声场分布及声压幅值大小.液体中的气泡会"阻滞"液体中声场的传播并将能量"聚集"在声源附近.对于连续大功率的驱动声场来说,液体中的气泡会"阻滞"气液混合物中声场及其能量的传播.     

流体控制方程的超声空化泡动力学模拟*

本文基于流体动力学控制方程和VOF模型,在FLUENT 14.5软件环境下对超声空化泡进行数值模拟。首先研究了超声空化泡一个周期内的形态变化,并且利用空化泡形态变化的最大面积、最小面积、膨胀时间、收缩时间等数值结果分析超声参数对空化效果的影响。同时探究了双频超声作用下空化泡运动的变化,计算结果表明:在其他条件相同的情况下,在1~5MPa范围内,超声声压幅值为3MPa时空化效果最好;当超声频率大于20kHz时,空化效果随着超声频率的增大而降低。对于频率相同的双频超声,较声压幅值为其两倍的单频超声有更好的空化效果;对于频率不同的双频超声,空化效果受到频率差的影响。     

生物流体中声参量效应的研究

本文利用Fenlon理论分析了流体中低频泵浦波与高频弱声波非线性相互作用而产生的参量效应,计算了和差频边带声的声压表式,并由此导出计及媒质衰减时的非线性参量B/A的公式。理论计算表明和差频边带声压幅值随泵浦声压线性地增加,由此提供了一个测量非线性参量的方法,用此方法测量了若干生物流体和混合物的B/A值。     

液体薄层中环链状空化泡云结构稳定性分析

为分析超声空化的薄层液体中稳定的环状气泡链结构,本文考虑气泡间次级声辐射影响,得到了表征气泡间相互作用的气泡基本动力学方程以及次Bjerknes力的表达式,数值分析了气泡平衡半径、声波频率和声压对纯液体区可能出现的单气泡所受的次Bjerknes力,发现环形泡链能够吸引液体区内的新生的半径小于2μm的气泡,这可能是一定条件下环形气泡链能够稳定存在的原因.随着驱动声波压力增加,气泡数密度增加,气泡间的耦合作用增强,液体区内的环形泡链结构可能被液体区内出现的大气泡或者气泡团破坏,进而导致环形结构演变成柱状、雾状乃至整个液体区均充满空化泡的情况发生.通过高速摄影机观察了强声场作用下换能器辐射面外侧液体薄层内空化初生至形成空化云团簇的整个过程,在空化云团簇中发现了局部同步崩溃并形成类纯液体薄层的现象,该液体薄层边界随时间振荡持续约4个声周期后被空化云团簇吞没,局部类纯液体区出现的位置具有随机性.实验观察结果和理论预测具有很好的一致性.     

超声振动珩磨作用下空化泡动力学及影响参数

为了合理利用超声振动珩磨作用下的空化效应,以磨削区单个空化泡为研究对象,考虑珩磨头合成扰动速度和珩磨压力的作用建立了磨削区空化泡的动力学模型。数值模拟了空化泡初始半径,珩磨压力,液体静压力和超声声压幅值对磨削区空化效应的影响。研究表明考虑超声振动珩磨作用时,空化泡膨胀的幅值会受到抑制,其溃灭时间也会缩短,而且较容易出现稳态空化。珩磨压力和液体静压力对磨削区空化主要起抑制作用,超声波声压幅值在一定范围内能够促进磨削区空化效果的提升。本文的研究为进一步理解超声振动珩磨的空化机理提供了理论支持。