含气泡液体中声传播的解析解及其强非线性声特性

声波在含气泡的液体中传播时,气泡的受迫振动会引起强的声散射,并且由于振动的非线性,使得气泡产生的次级波不仅含有基频成分,而且还会有高次谐波。本文从理论上描述了气泡个数随尺并给出了含气泡液体的等效非线性声参数Ｂ／Ａ的计算公式理论与已有的实验观测符合较好,文中对含气泡水的声速和声衰减等特性也进行了讨论。     

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。     

含混合气泡液体中声波共振传播的抑制效应

当声波在含气泡的液体中传播时会出现共振传播现象,即在气泡的共振频率附近声衰减和声速会显著地增大,这是声空化领域的一个重要现象.以往的研究一般假设液体中只存在单一种类的气泡,因此忽略了声波共振传播的某些重要信息.本文研究了含混合气泡液体中声波的共振传播,混合气泡是指液体中包含多种静态半径不同的气泡.结果显示:在这种系统中存在声波共振传播的抑制效应,即与含单一种类气泡的系统相比,在含混合气泡的系统中声波的共振衰减和共振声速会明显变小.对于两种气泡混合、多种气泡混合以及气泡满足某种连续分布的系统,研究了抑制效应的本质和主要特征,此外还探究了黏性和空化率等对抑制效应的影响.本文的研究结果是对该领域现有知识的必要补充.     

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     

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.     

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.     

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     

液体中的声处理应用和声空化工程

1引言 声波在好几个方面有它广泛不可替代的用途，像声通讯、声检测、控制声、声控制等。在几个方面的用途中有声处理一项，这时利用了声的能量。本文只讨论液体中的声处理应用。在长时期的实验室试验中它显示了，并且继续在显示，强大的潜力，但比较奇特的是，这么大量的实验室成果，只有很少数转化为生产力。本文强调转化为生产力的有利性和紧迫性。本文并且指出，液体中声处理的基本机理多是声空化，因此，分析研究在液体中大规模或生产化声处理时声空化的特征和行为，     

丛聚的含气泡水对线性声传播的影响

含气泡水内气泡的空间分布会对线性声传播产生影响,导致实验结论与理论预测存在较大偏差.为解决这一问题,将准晶体近似引入到自洽方法中,导出了考虑空间分布时多分散含气泡水的等效声波波数.考虑到含气泡水内,气泡间存在小范围的聚集趋势(简称丛聚现象),在此基础上引入Neyman-Scott点过程描述了含气泡水内气泡的丛聚现象.分析发现,丛聚时,声速、声衰减的峰值将受到抑制,并向低频偏移,且抑制和频偏现象会随丛聚加剧而变强;随频率远离峰值段,丛聚对声传播的影响逐渐减弱.此外,考虑到空间分布的统计信息提取对相关研究的精确与否起到重要作用,引入了一种比例无偏估计,通过该方法获得了仿真环境下丛聚含气泡水模型的相速度及衰减系数,该建模及统计方法也可为相关实验工作提供理论基础.     

一维非线性声波传播特性

针对一维非线性声波的传播问题进行了有限元仿真和实验研究. 首先推导了一维非线性声波方程的有限元形式, 含有高阶矩阵的非线性项导致声波具有波形畸变、谐波滋生、基频信号能量向高次谐波传递等非线性特性. 编制有限元程序对一维非线性声波进行了计算并对仿真得到的畸变非线性声波信号进行处理, 分析其传播性质和物理意义. 为验证有限元计算结果, 开展了水中的非线性声波传播的实验研究, 得到了不同输入信号幅度激励下和不同传播距离的畸变非线性声波信号. 然后对基波和二次谐波的传播性质进行详细讨论, 分析了二次谐波幅度与传播距离和输入信号幅度的变化关系及其意义, 拟合出二次谐波幅度随传播距离变化的方程并阐述了拟合方程的物理意义. 结果表明, 数值仿真信号及其频谱均与实验结果有较好的一致性, 证实计算方法和结果的正确性, 并提出了具有一定物理意义的二次谐波随传播距离变化的简单数学关系. 最后还对固体中的非线性声波传播性质进行了初步探讨. 本研究工作可为流体介质中的非线性声传播问题提供理论和实验依据.     

Numerical simulations of three-dimensional nonlinear acoustic waves in bubbly liquids

This paper presents three-dimensional simulations of nonlinear propagation of ultrasonic waves through bubbly liquids, which represent the continuity of our previous works included in the numerical tool SNOW-BL. The behavior of three-dimensional nonlinear acoustic waves in bubbly liquids is analyzed by means of numerical predictions. Nonlinearity, attenuation, and dispersion due to the presence of bubbles in the liquid are taken into account. The numerical solution to the differential problem is obtained by means of a finite-difference scheme. The simulations we present here consider a homogeneous distribution of bubbles in the liquid. Results compare high and low-amplitude waves to detect the nonlinear effects of the bubbles. Results are shown for radiation and enclosure problems.     

Numerical modelling of ultrasonic waves in a bubbly Newtonian liquid using a high-order acoustic cavitation model

To address difficulties in treating large volumes of liquid metal with ultrasound, a fundamental study of acoustic cavitation in liquid aluminium, expressed in an experimentally validated numerical model, is presented in this paper. To improve the understanding of the cavitation process, a non-linear acoustic model is validated against reference water pressure measurements from acoustic waves produced by an immersed horn. A high-order method is used to discretize the wave equation in both space and time. These discretized equations are coupled to the Rayleigh-Plesset equation using two different time scales to couple the bubble and flow scales, resulting in a stable, fast, and reasonably accurate method for the prediction of acoustic pressures in cavitating liquids. This method is then applied to the context of treatment of liquid aluminium, where it predicts that the most intense cavitation activity is localised below the vibrating horn and estimates the acoustic decay below the sonotrode with reasonable qualitative agreement with experimental data.     

Numerical simulation of the nonlinear ultrasonic pressure wave propagation in a cavitating bubbly liquid inside a sonochemical reactor

We investigate the acoustic wave propagation in bubbly liquid inside a pilot sonochemical reactor which aims to produce antibacterial medical textile fabrics by coating the textile with ZnO or CuO nanoparticles. Computational models on acoustic propagation are developed in order to aid the design procedures. The acoustic pressure wave propagation in the sonoreactor is simulated by solving the Helmholtz equation using a meshless numerical method. The paper implements both the state-of-the-art linear model and a nonlinear wave propagation model recently introduced by Louisnard (2012), and presents a novel iterative solution procedure for the nonlinear propagation model which can be implemented using any numerical method and/or programming tool. Comparative results regarding both the linear and the nonlinear wave propagation are shown. Effects of bubble size distribution and bubble volume fraction on the acoustic wave propagation are discussed in detail. The simulations demonstrate that the nonlinear model successfully captures the realistic spatial distribution of the cavitation zones and the associated acoustic pressure amplitudes.     

Propagation of terahertz waves in a dust acoustic wave

The propagation of terahertz waves in a dust acoustic wave is investigated numerically. By assuming a sinus profile of the dust number density in the dust acoustic waves, the transmission properties are calculated using finite difference time domain method. It shows that the dust acoustic wave can function similarly as a Bragg filter to block the terahertz waves of a certain wavelength. The bandwidth of the filter depends on the density profile of the dust acoustic wave.