微泡对高强度聚焦超声声压场影响的仿真研究*

微泡对高强度聚焦超声(HIFU)治疗焦域具有增效作用,而HIFU治疗中不同声学条件下微泡对HIFU形成声压场的影响尚不清楚。本文基于气液混合声波传播方程、Keller气泡运动方程、时域有限差分(FDTD)法和龙格-库塔(RK)法数值仿真研究输入声压、激励频率、气泡初始空隙率和气泡初始半径对HIFU形成声压场的影响。研究结果表明,随着输入声压的增大,焦点处声压升高但焦点处最大声压与输入声压的比值减小,焦点位置几乎不变;随着激励频率和气泡初始半径的增大,焦点处声压升高且焦点位置向远离换能器方向移动;随着气泡初始空隙率的增大,焦点处声压降低且焦点位置向换能器方向移动。     

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.     

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.     

调频超声脉冲驱动微气泡运动偏移的研究

提出调频超声辐射力技术驱动微泡群,以加强微泡的吸附效率.基于改进的RP方程及粒子轨迹方程研究了微泡群整体的运动位移与调频信号的中心频率、调频范围、信号声压,以及微泡半径分布关系.研究结果表明调频信号在驱动半径具有宽泛分布的气泡群,以及半径分布远离谐振半径的气泡群时,作用效果好于传统正弦波信号.例如中心频率1 MHz、调频范围0.75 MHz的调频脉冲作用高斯分布（平均半径3.5 μm、均方差为1）的微泡群200 μs,可比同等声压的正弦波多约12%的微气泡产生位移30 μm. 关键词： 超声辐射力 调频波 高斯分布     

声场作用下两空化泡相互作用的研究

建立了声场作用下两空化泡泡壁的运动方程,得出了双空化泡的共振频率,振动半径及空化噪声声压．由频率方程,振动半径和声压方程可以看出两气泡的运动情况与单气泡的运动情况有着明显的不同．共振频率,共振振幅及声压与两气泡之间的间距有关．在一定的简化条件下,运用MATLAB语言对共振频率,共振振幅及空化噪声声压进行了数值求解,发现共振频率和共振振幅随空泡间距的增大而增大,空化噪声声压随距离增大先增大后减小． 关键词： 超声 空化 频率 声压     

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.     

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.     

超声场下刚性界面附近溃灭空化气泡的速度分析

为了揭示刚性界面附近气泡空化参数与微射流的相互关系, 从两气泡控制方程出发, 利用镜像原理, 建立了考虑刚性壁面作用的空化泡动力学模型. 数值对比了刚性界面与自由界面下气泡的运动特性, 并分析了气泡初始半径、气泡到固壁面的距离、声压幅值和超声频率对气泡溃灭的影响. 在此基础上, 建立了气泡溃灭速度和微射流的相互关系. 结果表明: 刚性界面对气泡振动主要起到抑制作用; 气泡溃灭的剧烈程度随气泡初始半径和超声频率的增加而降低, 随着气泡到固壁面距离的增加而增加; 声压幅值存在最优值, 固壁面附近的气泡在该最优值下气泡溃灭最为剧烈; 通过研究气泡溃灭速度和微射流的关系发现, 调节气泡溃灭速度可以达到间接控制微射流的目的.     

超声场中气泡融合的影响因素分析

采用高速摄影机对不同声压和频率作用下接触气泡的融合时间进行了实验研究,运用实验和数值计算相结合的方法分析了次Bjerknes力和最大径向振动速度对气泡融合时间的影响,结果表明在不同的超声声压和频率作用下,气泡的融合时间会随着次Bjerknes力和最大径向振动速度的增大而增大,对两个因素进行对比分析得到次Bjerknes力是影响气泡融合的关键因素。      

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     

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     

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.     

方波驱动下双气泡的动力学行为*

探索方波驱动下双气泡的脉动规律,能够促进方波在声空化工程中的实际应用。本文通过数值求解双气泡耦合方程组,研究了方波驱动下双气泡的动力学行为,得到了多种条件下不同时刻两个气泡半径的数值,并以此计算出气泡间的次Bjerknes力。研究表明,增大驱动频率会使得两个气泡膨胀时能达到的最大半径和次Bjerknes力减小。当两个气泡的平衡半径不同时,其中一个气泡的剧烈收缩会使得另一个气泡产生一个振动方向相反的声脉冲。随着两个气泡平衡半径差距的增加,气泡收缩的时间间隔增大。此外,当驱动声压幅值逐渐增大时,气泡脉动规律也会发生很大的变化。     

两个等径蛋白质气泡在Bingham流体中振动特性

利用黏弹性膜构成的蛋白质气泡有限变形方程,并考虑一个气泡在Bingham流体中振动产生的Bjerknes力对另一个气泡振动特性的影响,建立了两个等径蛋白质气泡在Bingham流体中振动的非线性方程.利用数值计算方法求解该方程,结果表明,增加Bingham流体的塑性黏度,蛋白质气泡振幅衰减速度加快,振动周期增加,频率减小;当两个气泡间的距离减小时,气泡振动频率会增加,振幅衰减速度加快;初始半径小的气泡振动频率高,振幅衰减快,而且振动的频率和振幅衰减的速率越大;与单个气泡相比,两个蛋白质气泡在Bingham流体中振动时,振动具有更高的振动频率,而且振幅衰减速度更快.     

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.     

超声场中气泡的耦合运动

超声场中气泡除径向振动外,还可能会平动并且相互影响.本文以考虑邻近气泡次级声辐射影响后的球形气泡径向振动模型为基础,结合气泡在声场中受到的力,利用数值方法研究了平面波声场中不同尺寸的两气泡径向振动和平动规律.发现尺寸较大气泡的径向振动具有一定的本征性特征且具有较大平动位移.利用高速摄影系统定性地观察了气泡运动和泡群分布...     

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。     

强电场下气泡形变对液体绝缘的影响

 基于液体气泡击穿的椭球模型,推导了气泡形变的流体动力学方程;利用软件Comsol模拟了气泡受力后的形变;根据模拟结果,结合气体击穿的帕邢定律,讨论了气泡形变对液体绝缘的影响。结果表明:气泡在静电引力和表面张力的作用下,沿电场线方向拉伸成椭球,椭球长短轴之比与外加电场强度和气泡初始半径成正比;形变导致电场方向气体通道延长,气泡更容易击穿,外加气压是避免气泡击穿的有效途径之一,外加气压的大小与电场强度和气泡初始半径成正比。     

气泡线性振动对含气泡水饱和多孔介质声传播的影响

为了研究孔隙水含少量气泡时多孔介质中波的传播,本文在Biot模型的基础上,将孔隙水中气泡的体积振动融合到多孔介质的孔隙流体渗流连续性方程中,从而得到了考虑气泡体积振动的孔隙流体渗流连续性方程.在此基础上,根据气泡线性振动下气泡瞬时半径和介质背景压力的关系,以及多孔介质运动方程和流体介质运动方程,导出了受气泡影响下多孔介质位移矢量波动方程,建立了非水饱和多孔介质声速频散和衰减预报模型.气泡的存在增大了孔隙水的压缩率,导致含气泡水饱和多孔介质声速的降低.当声波频率等于气泡的共振频率时,在声波激励下,介质呈现高频散,且孔隙水中的气泡产生共振,吸收截面达到最大,使得多孔介质的声衰减也达到最大.文中数值分析验证了上述结论,表明了气泡含量、大小和驱动声场频率是影响声波在含少量气泡的水饱和多孔介质中传播的主要因素.     

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