包膜黏弹特性及声驱动参数对相互作用微泡动力学行为的影响

关于多气泡相互作用的理论研究对于深入理解超声造影剂在医疗领域中的应用机理具有重要意义。本工作建立了一个2维轴对称有限元模型来研究流体环境中超声造影剂双气泡相互作用,讨论了驱动超声频率和气泡尺寸对气泡之间吸引和排斥趋势的影响,得到了气泡半径与气泡之间距离随时间变化的曲线,以及气泡周围流体速度场的细节,并且研究了气泡包膜参数(即表面张力系数和粘度系数)对气泡相互作用的影响.结果表明,相互作用中的气泡对整体的相对运动趋势由驱动频率和共振频率之间的关系决定;在超声参数固定时,气泡包膜的粘弹特性可用来调控气泡间相互作用强度。结果对实验中观察到的气泡聚集现象进行了合理解释,并为超声造影剂在医疗实践中的应用提供了基础理论支撑.     

用超声多普勒方法检测感光乳剂中的气泡

利用超声多普勒方法能检测出直径小至80μm的感光乳剂中的单个气泡.介绍了装置的原理.考虑到测量管中流场不稳定性和声场分布的影响,给出测量管的结构设计,试验结果是符合预计的.     

超声对近壁微气泡溃灭过程的影响

近壁微气泡溃灭特性的深入研究对靶向给药和基因治疗等技术具有较好的指导作用。该文基于数值模拟技术,采用有限体积法结合流体体积模型对超声作用下的近壁微气泡溃灭特性进行了研究,分析了超声对近壁微气泡溃灭动力学过程的影响。结果表明气泡溃灭最大射流速度与近壁距离无量纲参数γ在1.1～1.6范围内时成正比,与超声频率在10～60 Hz范围内时成正比,与气泡初始半径在50～100μm范围内时成反比;近壁气泡的二次溃灭最大射流速度大于一次溃灭,二次溃灭的作用更加明显。超声参数对近壁气泡溃灭过程存在较大影响,该研究为超声在医学上的应用提供了依据。     

非球形气泡的超声定量检测

超声是检测不透明液体中气泡的有效方法,声散射模型是超声反演技术的核心.经典气泡散射模型通常是基于球形假设及ka≤1 (a为气泡半径,k为入射波的波数),然而实际应用中这些假设并不总能得到满足.本研究针对非球形气泡及ka偏离假设情况,提出一种超声反演定量方案.建立不受ka约束的球形气泡级数背散射f模型,将其与经典Medwin (ka?1)和Anderson (ka≈1)散射f模型进行对比,发现ka偏离引发的散射截面效应仅体现在散射高阶共振峰位置及大小差异上.据此提出:可通过曲线拟合法解决散射截面σ_bs/(πa²)与ka间的多值问题,同时用当量半径a^*对非球形气泡尺寸进行量化.具体首先利用非球形气泡背散射信号的频域信息测定其散射截面σ_bs,再根据σ_bs与非球形当量半径a^*间拟合曲线进行反演,同时利用回波时域信息勾画气泡形状轮廓.反演结果通过高速摄影定量结果进行检验.结果表明:气泡沿之字形路径上升过程中产生非球形形变,当9≤kr₀≤35时,...     

双泡耦合声空化动力学过程模拟

为了对双泡耦合的声空化过程进行模拟,本文从流体动力学控制方程和流体体积分数模型出发,在Fluent软件中构建双泡耦合超声空化三维有限元仿真模型,对超声波驱动下流体中双泡耦合声空化动力学过程进行数值模拟,并通过对空化气泡周围声场的变化进行分析研究双泡耦合声空化的非线性动力学特性.结果显示:在超声波驱动下,球形气泡先缓慢扩张,扩张到最大半径后迅速收缩直至溃灭;耦合双气泡间存在相互作用力,使得空化气泡的扩张受到抑制、气泡收缩时间增长;空化气泡在收缩阶段的能量转换能力增强,相比单气泡声空化,耦合双气泡溃灭时气泡内部的压强更大.本文分析结果将为超声空化泡群的动力学过程模拟提供参考.     

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     

声光协同作用下金纳米颗粒表面空化泡的动力学研究

在激光和超声的协同作用下,金纳米颗粒表面会产生空化气泡。本文通过观察各种参数条件下空化泡的振荡变化,研究了激光光热、超声空化及其协同效应。研究发现,光热作用和激励声压的改变可以调节气泡的动力学过程,光热效应的增强有利于气泡的膨胀,激励声压的增加可以提高气泡运动的剧烈程度。两者的协同作用可以使气泡稳定存在并经历不同的振荡过程。此外,激光与超声协同方式的变化对气泡的运动过程有一定影响。     

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     

超声造影剂微气泡的包膜黏弹特性的定量表征研究

包膜黏弹特性显著影响微气泡超声造影剂的诊断及治疗应用效果. 本文结合原子力显微镜技术及声衰减特性测量提出了一种对微气泡造影剂包膜黏弹特性定量表征的新方法. 首先采用原子力显微镜技术进行机械特性分析得到包膜微气泡的有效硬度及体弹性模量; 然后测量声衰减特性, 基于微气泡动力学理论, 计算包膜微气泡的体黏度系数. 为验证方法的有效性, 实验制备了直径为1-5 μm的白蛋白包膜微气泡造影剂, 原子力显微镜测量的有效硬度和体弹性模量分别为0.149±0.012 N/m和8.31±0.667 MPa, 并与粒径无关. 声衰减特性测量和动力学理论拟合的包膜微气泡的体黏度系数为0.374±0.003 Pa·s. 该方法可推广至其他种类包膜微气泡的黏弹特性表征, 对超声造影剂的制备及其诊断和治疗应用有积极意义.     

液体薄层中环链状空化泡云结构稳定性分析

为分析超声空化的薄层液体中稳定的环状气泡链结构,本文考虑气泡间次级声辐射影响,得到了表征气泡间相互作用的气泡基本动力学方程以及次Bjerknes力的表达式,数值分析了气泡平衡半径、声波频率和声压对纯液体区可能出现的单气泡所受的次Bjerknes力,发现环形泡链能够吸引液体区内的新生的半径小于2μm的气泡,这可能是一定条件下环形气泡链能够稳定存在的原因.随着驱动声波压力增加,气泡数密度增加,气泡间的耦合作用增强,液体区内的环形泡链结构可能被液体区内出现的大气泡或者气泡团破坏,进而导致环形结构演变成柱状、雾状乃至整个液体区均充满空化泡的情况发生.通过高速摄影机观察了强声场作用下换能器辐射面外侧液体薄层内空化初生至形成空化云团簇的整个过程,在空化云团簇中发现了局部同步崩溃并形成类纯液体薄层的现象,该液体薄层边界随时间振荡持续约4个声周期后被空化云团簇吞没,局部类纯液体区出现的位置具有随机性.实验观察结果和理论预测具有很好的一致性.     

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     

调频激励增强微气泡的次谐波理论和实验研究

超声造影剂的次谐波成像可以提高造影组织比，提供更好的图像质量. 提出一种利用调频脉冲激励以增强造影剂微气泡产生的次谐波新方法. 基于修正的Church方程，从理论上讨论了次谐波的产生与调频激励声压的关系及产生阈值，并且实验证实了优化调频信号的带宽及调频时间可以提高次谐波信号幅度及改善主瓣和旁瓣特性. 理论与实验表明，与传统脉冲信号激励相比，调频信号激励产生的次谐波幅度可提高约22dB. 关键词： 调频激励 超声造影剂 微气泡 次谐波     

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。     

声波激励下管路轴向分布双气泡动力学特性分析

针对基于声学理论的管道气泡检测技术面临的声波作用下的气泡相互作用机理问题,本文基于自由气泡Rayleigh-Plesset模型,通过引入次Bjerknes辐射力,构建能够考虑管道轴向气泡分布的可压缩性双气泡动力学模型.利用四阶龙格库塔方法开展数值计算,对比分析了不同激励声波频率与幅度作用下自由气泡与双气泡模型引起的气泡动力学特征的区别.同时对比了液体可压缩与不可压缩假设引起的气泡动力幅频响应的区别,表明可压缩假设下的次Bjerknes辐射力引起气泡发生受迫振动,不改变气泡的线性共振特征;而不可压缩假设引起气泡间发生强耦合,从而改变气泡系统的线性共振特征.气泡距离直接影响次Bjerknes辐射力大小,导致气泡动力学趋向于非线性振动,与线性振动的频谱特征差别明显.气泡轴向位置的变化引起外界激励声波的变化,从而改变气泡的初始振动特征.初始特征的差异与次Bjerknes辐射力发生耦合作用,影响气泡动力学特征,甚至发生非线性振动.研究表明,小气泡在共振的情况下,与次Bjerknes辐射力发生耦合作用,使得双气泡系统更容易趋向于非线性特征;而大气泡则能够较好地保持线性共振状态.     

气泡在横流中的生长与脱离特性实验研究

为了系统研究气泡在横流中的运动学特性,利用水循环回路形成横流,采用高速数码摄像技术和图像处理方法对横流中气泡的演化过程进行描述.通过调节横流的平均流速和气体流量,获得了 6种横流中的气泡形态,即单气泡、颈状泡、条带泡、泡囊、离散泡和雾状泡;解释了各类气泡形态的特征,对气泡尺寸及分布进行了统计,对气泡在横流中的发展过程进...     

声场中气泡群的动力学特性

以水为工作介质,考虑了液体的轻微可压缩性,研究了声场中气泡群的动力学特性,对单一型和混合型气泡群内微泡的初始半径、气泡的数目及声频率和声压对气泡动力学特性进行了数值研究．分析了各参数对气泡运动特性和气泡崩溃时所产生压力脉冲的影响．研究了单一型气泡群内气泡动力学的混沌特性,分析了气泡处于混沌特性下两次崩溃压力脉冲特征,结果表明：适合的参数有利于提高声空化处理效果．     

气泡对沉积物声学特性影响研究:以东海沉积物为例

气泡对海底沉积物的声学物理特性的影响在海洋学、海洋地质学和海洋地球物理学等领域中都有着重要的研究意义. 利用Micro-CT扫描仪对沉积物样品进行无损检测扫描, 根据沉积物样品中水、气和固体颗粒对X射线吸收率的不同, 提取了沉积物的气体体积(气泡)含量. 利用智能非金属超声检测仪对沉积物样品进行超声无损测定, 得到沉积物声速与衰减. 通过回归分析, 建立了样品采集海域沉积物孔隙填充气体与流体含量与沉积物声学特性之间的相关关系. 结果表明: 含气量的少许增大就会引起声速的急剧降低和声衰减的急剧上升, 但含气量超过10%后, 这种上升和降低的幅度明显减小.     

双泡模型共振频率的超声空化动力学研究

该研究旨在研究双泡模型的自然共振频率对超声空化的影响,通过理论计算研究了自然共振频率的影响因素,以及单频超声和双频超声与自然共振频率的关系。研究结果表明：气泡初始半径是影响自然共振频率的主要因素;低频驱动下的非线性波动程度会比高频的更加剧烈,当驱动频率等于气泡自然共振频率时,超声空化的效果更好;双频超声取气泡自然共振频率时超声空化效果远远优于单频超声驱动。该研究在超声医学和理解超声空化特性方面有着重要的意义。     

竖直矩形通道内液体流动

通过对沸腾气泡在液体中的受力分析,建立了沸腾气泡长大过程的动力学方程;进而获得了沸腾气泡的生长速率与脱离直径的计算方法.采用图象捕集与处理系统,对竖直矩形通道内液体流动沸腾气泡长大与脱离行为进行实验测定,结合模型求解,获得了气泡生长速率、气泡脱离直径、气泡与加热壁面的接触角等参数随操作条件的变化;由模型计算所得的气泡脱离直径与实测值较为符合.     

高速摄影技术对水中气泡运动规律的研究

气泡在许多不同过程中起着重要作用.舰船尾流中的气泡提供了这样一个线索,即基于对气泡的特性研究,并以此对舰船进行追踪是一种独特的方法.用高速摄影技术来研究气泡,具有直观、低费用的优点,配合以半自动胶片判读仪,可获得较为详细的关于气泡的参量.实验结果表明,水中气泡上升速度的大小都在随时间减小,气泡的末速度存在一极值,它与一定大小的气泡相对应.文中详细讨论了水中气泡的动力学特征,并与高速摄影所得到的气泡图象数据进行了比较,其结果的一致性肯定了高速摄影技术对水中气泡运动规律的研究中的重要性