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.     

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。     

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.     

如何在半导体芯片上监测巨量声波气泡

在高达数十亿美元的半导体工业生产过程中，硅晶片要经历多次的超声波清洗工序．对于该工序却一直没有一个可靠的监控手段．当晶片沉浸于液体中并经受着高频声波的清洗时，利用在液体中产生巨量的气泡可以有效地清除掉晶片上的杂质和一些微小粒子．另一方面，这种清洗也会不经意地损害晶片上的电路，从而使合格晶片的产量减少．     

窄缝中气泡在磁性液体中的上升与变形

对窄缝中气泡在磁性液体中的上升与变形进行了可视化研究。定性分析了纳米磁性颗粒引发的黏度效应及表面活性剂分子依附作用对气泡上升速度与形状的影响。试验工质为体积浓度6.33%的水基Fe_3O_4磁性液体,同时对比了质量浓度25%的四甲基氢氧化铵水溶液、质量分数30%和50%的蔗糖溶液以及水中气泡的上升运动。窄缝间隙分别为1 mm和2 mm,气泡由底部不同直径的圆孔产生。试验结果表明:由于活性剂分子的存在,磁性液体气泡上升过程中由扁椭圆形渐转变为上圆下平的冠状,而其略大于水的黏度使气泡在1 mm窄缝中保持直线上升运动,但窄缝间隙增大到2 mm后,磁性液体中气泡的运动轨迹仍会发生振荡。     

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.     

用超声波测气—水混相介质中的含气量

本文通过对气—水混相介质中声速和声衰减的测量，建立起了声学量与含气量间的关系，对实现用声学量测量混相介质中的含气量具有重要的意义．     

水下强声波脉冲负压的产生和空化气泡运动

首先利用高速摄影和压力传感器测量的方法, 对曲面反射式水下强声波脉冲的传播和聚焦过程进行了实验研究.实验研究发现, 椭球面反射罩在起到汇聚声能的作用的同时也将使得强声波脉冲在传播过程中形成负压区, 并由此而引发近场声传播通道上空化气泡群的产生. 在实验结果的基础上, 进一步利用基于Kirchhoff衍射定理的声传播模型和大振幅条件下的QX气泡运动方程, 对强声波脉冲负压区的形成原因及空化气泡的运动过程进行了数值计算和分析. 研究结果表明, 在焦前区, 源于反射罩内表面的"尾波"和出口处的"边缘波"在传播过程中将形成反射波中的负压区; 在焦后区, 源于反射罩顶点的"中心波"在传播过程中将形成反射波中的负压区. 在反射波作用下, 空化气泡体现出了"正压区受压缩并振荡, 负压区膨胀"的运动特点. 在反射波之后, 空化气泡将出现成长、坍缩和回弹等典型的物理过程. 研究结果对曲面反射式水下强声波传播物理规律的认识具有实际意义.     

含气量对液体中空泡声波频谱特性的影响

通过压电陶瓷（PZT）水听器获取了液体中激光空泡脉动辐射的声波,并计算了激光空泡在第1次脉动过程中泡内的含气量,结合空泡含气量对空泡最大半径及脉动周期影响的分析,进而分析了含气量对空泡声波频谱特性的影响。分析结果表明：激光空泡第1次脉动过程中泡内的含气量随着作用激光能量的增加而增加,含气量的多少将直接影响空泡运动的剧烈程度;含气量越多,空泡脉动越缓慢,脉动周期越长,空泡脉动辐射声波的峰值频率有向低频移动的趋势。     

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.     

A simple model of ultrasound propagation in a cavitating liquid. Part I: Theory, nonlinear attenuation and traveling wave generation

The bubbles involved in sonochemistry and other applications of cavitation oscillate inertially. A correct estimation of the wave attenuation in such bubbly media requires a realistic estimation of the power dissipated by the oscillation of each bubble, by thermal diffusion in the gas and viscous friction in the liquid. Both quantities and calculated numerically for a single inertial bubble driven at 20 kHz, and are found to be several orders of magnitude larger than the linear prediction. Viscous dissipation is found to be the predominant cause of energy loss for bubbles small enough. Then, the classical nonlinear Caflish equations describing the propagation of acoustic waves in a bubbly liquid are recast and simplified conveniently. The main harmonic part of the sound field is found to fulfill a nonlinear Helmholtz equation, where the imaginary part of the squared wave number is directly correlated with the energy lost by a single bubble. For low acoustic driving, linear theory is recovered, but for larger drivings, namely above the Blake threshold, the attenuation coefficient is found to be more than 3 orders of magnitude larger then the linear prediction. A huge attenuation of the wave is thus expected in regions where inertial bubbles are present, which is confirmed by numerical simulations of the nonlinear Helmholtz equation in a 1D standing wave configuration. The expected strong attenuation is not only observed but furthermore, the examination of the phase between the pressure field and its gradient clearly demonstrates that a traveling wave appears in the medium.     

Ultrasonic wave propagation in rare-earth monochalcogenides

The ultrasonic attenuation in thulium monochalcogenides TmX (X=S, Se and Te) has been studied theoretically with a modified Mason’s approach in the temperature and range 100 K to 300 K along 〈100〉, 〈110〉 〈111〉 crystallographic directions. The thulium monochalcogenides have attracted a lot of interest due to their complex physical and chemical characteristics. TmS, TmSe and TmTe are trivalent metal, mixed valence state, and divalent semiconductor, respectively. Coulomb and Born-Mayer potential is applied to evaluate the second- and third-order elastic constants. These elastic constants are used to compute ultrasonic parameters such as ultrasonic velocities, thermal relaxation time, and acoustic coupling constants that, in turn, are used to evaluate ultrasonic attenuation. A comparison of calculated ultrasonic parameters with available theoretical/experimental physical parameters gives information about classification of these materials.      

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。     

次声波在非均匀运动大气中非线性传播特性的研究

基于有限时域差分方法将大气中近似到二阶的非线性波动方程进行离散化,得到了数值模拟所采用的差分方程. 在此基础上,对线阵列辐射的脉冲声波在非均匀运动大气中的垂直和斜向传播进行了二维数值模拟,模拟了武汉地区(114:20°E, 30:37°N)在夏季和冬季UT=29000 s时开始传播的脉冲声波在不同时刻的声压分布. 模拟时通过采用Msise00和HWM93 两个大气模型,考虑了由于大气温度和密度变化以及大气风场存在所引起的大气不均匀性和运动性. 通过研究上述两季有风与无风条件下的声压差值p_r,可以发现:风场对次声波在传播中声压分布的影响较大;由于不同季节和不同传播距离上"有效声速"的不同,导致了两季p_r分布波形存在差异;风场对声波非线性传播的影响要远大于其对线性传播的影响. 关键词： 次声波传播 非均匀运动大气 有效声速     

Monte Carlo simulation of the electromagnetic wave propagation in the duststorm

Monte Carlo simulations of the extinction rate of electromagnetic wave propagation in the duststorm were presented. The numerical procedure was based on the multiple scattering and independent scattering. The calculated multiple scattering attenuation rate is in good agreement with the measured one, but differs significantly from those obtained under the independent scattering assumption. At the same time, the factors of size parameter, frequency of incident wave, the angle of incident, and sands permittivity and water content have been considered in the attenuation of electromagnetic wave propagation in the duststorm. Numerical results obtained showed that the attenuation rate increases as the fractional volume, frequency of incident wave and sands permittivity increase, and as the angle of incident increases, the attenuation rate decreases. Supported by the Key Project of the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 10532040)     

The nonlinear standing wave inside the space of liquid

Based on the basic equations of hydrodynamics, the nonlinear acoustic wave equation is obtained. By taking into account the boundary condition and properties of nonlinear standing wave, the equation is solved through perturbation method, and the stable expressions of fundamental wave and second harmonic are presented. The sound pressures in an ultrasonic cleaner are measured by hydrophones, and the relationship between the received voltages of hydrophones and the output voltages of the ultrasonic generator ...