弹性微管内气泡的非线性受迫振动

将弹性管壁视为膜弹性结构, 探索在外部声场作用下弹性微管内液柱-气泡-管壁构成耦合振动系统的非线性特征. 利用逐级近似法对系统非线性共振频率、基频和三倍频振动幅值响应、 分频激励共振机理等进行了理论分析. 基频和三倍频振动的幅-频响应数值结果表明: 气泡的轴向共振和管壁共振不能同时出现; 两垂直方向的振动均表现出幅值响应多值性, 进而可能引起系统的不稳定声响应; 三倍频振动在低频区的声响应强于高频区. 关键词： 弹性微管 受迫振动 非线性振动 气泡声响应     

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.     

微管内气泡的受迫振动

在气泡-液柱一维耦合振动模型的基础上对刚性微管两侧声压不相等时管内柱状气泡的轴向一维受迫振动进行了理论探索. 声压不均匀分布不影响气泡线性振动时的共振频率, 但振动幅度受到有效声压幅值的影响. 利用逐级近似法分析了管内非线性振动气泡的基频、三倍频和三分之一分频振动的幅-频响应关系, 结果表明当驱动声压超过0.1 MPa时, 气泡振动处于非线性状态. 非线性声响应特征主要表现为:基频和分频振动幅值响应的多值性; 三倍频振动在低频区响应强于高频区; 三分频振动在大于共振频率的频域内出现的概率更大.     

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     

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.     

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.     

导电流体中气泡径向振动行为的磁场控制

液态金属中气泡行为是磁流体力学的重要方面。为对磁场条件下导电流体中气泡动力学行为作全面理解,基于磁流体动力学方法建立了磁场条件下导电流体中气泡径向振动的无量纲化动力学方程,数值研究了磁场对导电流体中气泡径向非线性振动稳定性、泡内温度、泡内气压及液体空化阈值的影响。结果显示:磁场增强了气泡非线性振动的稳定性,随着磁场增强且当作用在泡上的电磁力与惯性力数量级可比时,气泡运动为稳定的周期性振动;同时,磁场引起泡内温度、泡内压力及液体空化阈值变化。研究表明,可用磁场调节和控制液态金属中气泡的运动使其满足工程应用需求。      

不同类型气泡组成的混合泡群声空化特性

声空化实验中经常观察到由许多空化气泡组成的各种泡群结构.本文利用气泡群及群内任一气泡的Rayleigh-Plesset方程并结合van der Waals型过程方程,研究了不同类型气泡组成的混合泡群中的气泡半径、泡内温度和群内压力脉冲变化规律,得到以下结果:相同尺寸相同气体气泡和相同尺寸不同气体气泡组成的两种泡群中气泡所含的不同气体对泡内温度有较明显的影响,但对气泡半径变化和群内压力脉冲峰值的影响较小;不同尺寸相同气体气泡和不同尺寸不同气体气泡组成的两种混合泡群中,随着大气泡数的增多,大小气泡内温度开始快速下降,之后大泡内温度逐渐趋近于纯大气泡组成泡群的泡内温度,小泡内温度逐渐趋近于许多大泡辐射作用下的单一小气泡泡内温度;气泡崩溃时产生的压力脉冲峰值,先急剧减小到拐点,之后平稳增加并逐渐趋近于纯氩气大气泡和纯氦气大气泡组成泡群内的压力脉冲峰值;群内大气泡数占比对泡群空化特性有重要影响,只有大气泡数占比达到一定值后泡群中才能出现不同尺寸气泡同时崩溃的现象.     

利用声衰减反演气泡群分布的方法研究

通过测量含气泡水的声衰减反演气泡群参数是获取水中气泡分布的重要方法,但是经典方法忽略了较高浓度气泡水中的强频散特性和气泡振动参数的改变,导致反演较高浓度气泡群分布时会产生巨大误差.为解决这个问题,本文基于等效媒质理论建立起了声衰减和相速度的联系,并考虑了含气泡水平均量对气泡阻尼系数和共振频率的影响.在此基础上,通过将反演气泡分布和修正相速度及气泡振动参数交替迭代的方法,有效地消除了高浓度气泡水中由频散和气泡振动特性改变引起的误差.与实验数据对比发现,气泡群孔隙率达到10^-5时,考虑含气泡水的频散特性会显著降低反演误差;而当气泡群孔隙率达到10^-3时,气泡阻尼系数和共振频率的修正会对反演结果变得重要.本文方法在反演孔隙率为10^-3-10^-2的高浓度气泡群时,仍有较好效果,这可为获取水下较高浓度气泡群分布提供方法借鉴.