声波在含气泡液体中传播特性及产热效应*

该文对含气泡液体中的声波方程采用线性分析方法,研究了超声波在含气泡液体中的传播特性以及产热效应。当声波在含气泡液体中传播时,气泡的存在会影响声波的传播,在声波频率接近气泡共振频率的频段内,声信号在液体中传播时剧烈衰减,而在声波频率远远高于或低于气泡共振频率时,声波的传播基本不受影响。在接近气泡共振的频段内,声波耗散的能量最终转化为热能。同时液体中的气泡会在声波驱动下径向振动并辐射声波,伴随气泡壁在液体中的粘滞振动,热量随之产生。结果表明,两种产热机制分别在不同频段起主导作用。     

利用智能手机磁力计测量液体黏滞系数

利用智能手机搭建了一套可视化的简谐振动系统,通过小球在液体中欠阻尼振动的振幅衰减,测量液体的黏滞系数。实验使用手机Phyphox软件中的磁力计传感器,将小球欠阻尼振动振幅的测量转化为磁感应强度大小的测量,并通过Origin软件对采集的数据进行非线性拟合,得到液体阻尼因数,求出液体的黏滞系数。     

超声在液体中的非线性传播及反常衰减

本文从广义的Navier-Stokes流体方程出发,考虑到流体介质的黏滞性和存在的热传导,导出了更接近实际流体的三维非线性声波动方程.鉴于声传播所涉及的空间和时间尺度的复杂性和多样性,文中针对一维情形下的非线性波动方程进行了求解和分析.由方程的二级近似解可以看出,声压振幅的衰减遵循几何级数规律,而且驱动声波的频率越高声压的衰减就越快.在满足条件ωb《ρ0c_0~2时,基波的衰减系数与驱动频率的平方及耗散系数的乘积成正比;二次谐波的衰减规律更加复杂,与频率的更高次幂相关.对声衰减系数及声压的分布进行数值计算发现,声压的分布还与初始的声压幅值及频率有关,初始的声压与频率越高衰减得越快.另外,当声压高于液体的空化阈值时,液体中就会出现大量的空化泡,文中模拟了单个空化泡的运动,发现随着声压的增大空化泡的振动越剧烈、空化泡所受的黏滞力变大,随着声波作用时间的增大黏滞力的幅值迅速增大并与驱动声压值同阶,因而空化泡的非线性径向运动引起的声衰减不容忽视.结果表明,驱动声压越高在空化区域附近引起的声衰减越快、输出的声压越低.     

黏滞法估算液体的活化能

液体分子要在液体中作一定程度的偏移,需要克服一个高度为W的势垒,这个势垒就是该液体的活化能,活化能是表征液体本身固有性质的一个物理量,它对液体诸多特性参数都有决定性的作用,本文提出一个估算液体活化能的实验方法--黏滞法,其理论依据是液体的黏滞系数n正比于TekT/W[1],通过实验分别测出几个不同温度下液体的黏滞系数反过来即可估算其活化能.     

方位各向异性黏弹性介质波场有限元模拟

随着裂缝性储集层的地位越来越重要，黏弹性各向异性介质中地震波传播理论的研究也越来越受到重视.在弱黏滞性条件下，针对标准线性黏弹性体模型，采用时间增量法，在每一个时间步长确定黏弹性变形及载荷，并在计算下一个时间步长的黏弹性变形时把它加载进去，建立类似于解弹性问题的黏弹性方位各向异性介质波动方程的有限元递推公式.数值模拟给出了黏弹性波在地球介质中的波场传播特征. 关键词： 黏弹性 方位各向异性 有限元 时间增量法     

超声波在磁性液体中的传播特性

本文报道超声波在磁性液体中的传播特性,首先研究了磁化状态建立与消失的弛豫过程,弛豫时间约20min,为了保证平衡状态下进行测量,所有数据均为附加磁场60min后进行的测量,然后在f=4HMz下,测量了φ=0,π/2的声速与磁场的关系,声速与磁性液体中磁性颗粒浓度的关系,对有关理论进行了解释。 关键词：     

非均匀饱含黏性流体孔隙介质中声波传播及井孔声场分析

声波在饱含流体孔隙介质中的传播特性与流体的黏滞性及孔隙介质的非均匀性密切相关.本文在Biot理论基础上,考虑了孔隙流体的剪切应力及孔隙结构的非均匀性,采用含黏性流体孔隙介质中的波动理论,研究了孔隙介质中四种体波的频散和衰减特性,分析了慢横波对快纵波转换散射的影响,进一步推导了孔隙地层井孔中的模式波及其声场的解析解,研究了非均匀孔隙介质中井孔模式波和波列的特征.研究结果表明,含黏性流体孔隙介质中存在慢横波,慢横波的频散很强,其传播特征受到介质孔隙度、渗透率及孔隙流体黏度的影响.在非均匀孔隙介质中,与慢横波相关的剪切应力平衡过程不仅导致快纵波的频散和衰减,还会影响井孔伪瑞利波及斯通利波的传播特征.本文的工作完善了孔隙介质中声波传播的物理机制,为孔隙地层井孔声波的解释与应用提供了理论指导.     

微重力下变内角毛细驱动流研究

本文研究了在满足Concus-Finn条件时,微重力环境下内角沿容器轴线变化时的毛细驱动流问题,建立了变内角的毛细流动控制方程,获得了变内角流动的近似解析解,并与FLOW-3D软件的数值模拟结果进行了对比验证. 计算结果表明,随着时间的增大,近似解析解与数值解的相对误差越来越小,在6 s以后,相对误差不超过5%. 论文研究了不同结构参数对内角毛细流动的影响规律,得出液体前缘位置和液面高度均随内角、接触角、内角斜率和内角幂指数的增大而减小的结论. 在不同时刻,液体的液面高度随着时间的增大而增大,但在初始时刻存在一个常高度,该高度不随时间的变化而变化. 在空间流体管理时,可以根据本文的工作进行容器设计和选择适合的溶液. 关键词： 变内角 毛细驱动流 近似解析解 前缘位置     

基于超声光栅衍射的液体密度测试

采用超声波与光栅衍射的联合实现液体密度的测量.超声波发生器在周期性高频正弦电信号的激励下产生超声波,此超声波在样品池液体中传输可以产生周期性排布的疏密纵波,进而使液体的折射率呈现周期性排列,当激光束垂直入射此液体时,会产生类似光栅的作用.通过CCD采集分析经过样品池后单色出射光线的衍射图样,得出液体的密度.     

微平行管道内Eyring流体的电渗滑移流动

研究了微平行管道内非牛顿流体––Eyring 流体在外加电场力和压力作用下的电渗流动. 在考虑微尺度效应, 电场作用, 非牛顿特性, 滑移边界等情况下, 建立Eyring流体在微平行管道内电渗流动的力学模型. 通过解线性Possion-Boltzmann方程和Cauchy动量方程, 给出Eyring 流体速度分布的精确解和近似解析解, 并探讨了上述因素对电渗流动的影响. 将电场力和压力对于Eyring流体电渗流动的速度分布的影响进行了比较分析, 得到有意义的结果.     

驻波法测量声速实验的讨论

根据声波在2个换能器之间多次反射和声波在空气中的衰减,研究了驻波法测量声速实验中接收器输出信号随接收器到发送器间距离的变化.理论推导结果表明:声波在一般情况下不是严格的驻波,但是当反射比接近-1时则是双曲函数形式的驻波,这与实验测量结果一致.只有接收器到发送器的距离比较远,反射比接近-1时,才能得到几乎理想的驻波.     

Sound wave attenuation in foam

Experimental measurements are presented for sound wave attenuation in foam without additives (standing wave method) and in foam with added particles (pulse method). A setup is developed that makes it possible to obtain a standing sound wave in stable foam and estimate the attenuation coefficient. A comparison is made of the coefficients of sound attenuation in foam in the sonic and ultrasonic frequency ranges, which have been published in a number of works. It is shown that the introduction of particles into foam leads to an increase in sound wave attenuation and may be the result of the viscous mechanism of sound wave energy loss.     

超声光栅测液体声速原理和实验

本文对用超声驻波自身像法和超声光栅衍射法测定液体声速的原理进行了分析,并介绍了其实验方法     

Cu/PMMA复合材料的声速与冲击响应行为

基于熔融共混法,制备了一系列不同配比且随机分散的Cu/PMMA复合材料,重点研究了Cu颗粒含量对PMMA基体声速与冲击压缩行为的影响。超声测试结果表明,随着Cu颗粒含量的增加,声波的衰减使材料的横、纵波声速皆呈缓慢下降趋势,由此使体积声速亦呈减小趋势。基于平板撞击实验,获得了冲击压力在1.1~6.0 GPa范围内各复合材料的冲击波速度-粒子速度方程。Cu/PMMA复合材料声阻抗的升高使Hugoniot参数λ逐渐增大,而零压体积声速减小,与常压体积声速所表现出的变化趋势一致。结合已有的压力-粒子速度关系模型,对各材料的压力-粒子速度曲线进行了讨论。在此基础上,归纳出一种基于上述模型的用于预测金属粒子填充聚合物基复合材料压力-密度关系的可靠方法。     

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     

考虑晶粒分布的多晶体材料超声散射统一理论

现有超声散射统一理论可通过多晶体材料的微观结构和力学特性,实现全频域范围内衰减和相速度的正演建模,但其忽略晶粒尺寸分布的影响,进而降低了正演模型的计算精度.本文对不均匀介质的波动方程进行二阶Keller近似,用全频域格林函数推导介质中的平均波;以截断对数正态分布描述晶粒分布,构建加权的空间相关函数;结合材料的弹性模量协方差,建立含晶粒分布的超声散射统一理论,揭示晶粒分布对超声散射的影响规律;制备304不锈钢试块并开展超声散射实验.结果表明考虑晶粒分布特性后,纵波衰减谱和相速度谱相对于实验结果的相异性降低约49%和64%,横波衰减谱和相速度谱相对于实验结果的相异性降低约12%和4%.可见,本文的统一理论模型能有效修正晶粒分布导致的衰减谱和相速度谱偏差,为晶粒分布反演评价提供理论基础.     

Ultrasonic wave properties in the particle compounded agarose gels

Ultrasonic wave properties (attenuation and velocity) in the particle compounded agarose gels have been experimentally studied in the range from 1 to 30 MHz. The particles used were talc, glass beads and graphite. The effects of size and volume concentration of particles were clearly observed as changes of ultrasonic wave properties. Applying the Urick's theory for viscous liquid suspensions, the specific curves of velocity in the gels were observed as a function of a beta, where a is the radius of the particles and beta is described by angular frequency omega, density rho and fluid viscosity eta. This indicates that the particle behavior in the gels seems to be similar with that in the viscous fluid. The estimated eta in the gels was higher than that of the free water, showing the high viscosity in the gels.     

含少量气泡流体饱和孔隙介质中的弹性波

考虑孔隙流体中含有少量气泡,且气泡在声波作用下线性振动,研究声波在这种孔隙介质中的传播特性.本文先由流体质量守恒方程和孔隙度微分与流体压力微分的关系推导出了含有气泡形式的渗流连续性方程;在处理渗流连续性方程中的气体体积分数时间导数时,应用Commander气泡线性振动理论导出气体体积分数时间导数与流体压强时间导数的关系,进而得到了修正的Biot形式的渗流连续性方程;最后结合Biot动力学方程求得了含气泡形式的位移场方程,便可得到两类纵波及一类横波的声学特性.通过对快、慢纵波的频散、衰减及两类波引起的流体位移与固体位移关系的考察,发现少量气泡的存在对快纵波和慢纵波的传播特性影响较大.     

超声波流量计测量流体声速的实验方法

为获取液体介质的声速值,设计了一种测定流体声速的实验方法,该方法利用时差式超声波流量计和标准流量校验设备同时对封闭管道中的液体进行流速测量,分别得到流速的测量值和真实值,从而计算出超声波流量计的仪表系数,并以此导出了一定条件下液体介质的声速值随仪表系数的变化关系式.利用该方法测量给出了0.17 MPa下四氧化二氮(N₂O₄)在7.6-19.4 ℃、偏二甲肼((CH₃)₂NNH₂)在6.5-25.2 ℃范围内的流体声速值,并为其他液体介质的声速测量提供了借鉴. 关键词： 超声波流量计 声速 仪表系数 温度     

声光Naman-Nath衍射特性的研究

讨论了液体介质中的超声相位光栅的形成,根据声光相互作用类型的区分标准,在液体介质的超声光栅实验中声光相互作用一般为Naman-Nath衍射;相位光栅可以由声行波和声驻波形成,且形成的各级衍射条纹极大均由相同的光栅方程决定,各级衍射条纹的强度由相应阶次的J2m函数值决定;在此基础上给出了衍射条纹和衍射光强的分布特点.