超声空化与超声医学

随着超声技术应用广泛而迅速的发展,整整一个世纪来,超声空化成了经久不衰的研究课题,特别近１０年来,超声空化成了多种学科的基础研究热点。本扼要地介绍了起声空化的最新研究进展,以及超声空化与超声医学发展的密切关系。     

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。     

医学超声空化的研究进展

本文介绍了近期医学超声空化研究的若干进展,着重概括了它的研究方法与基本结果,在此基础上提出了一些问题与看法。     

超声空化泡运动特性的研究进展

超声空化是一个极其复杂的物理现象,超声空化泡运动是影响超声空化效应的重要因素,研究超声空化泡的运动特性已受到学术界的极大重视。本文研究了近几年国内外学者基于超声作用下的空化泡运动特性的工作,从空化泡运动方程、数值模拟、实验研究等方面介绍了超声空化泡运动特性的研究进展。最后指出了研究中需解决的关键问题,同时对超声空化泡的研究趋势进行了展望。     

超声滚压中的空化现象*

在超声滚压加工中引入切削液后可能会产生空化现象,由此产生的微射流和冲击波对超声表面强化将有积极作用。为研究超声滚压加工中空化现象是否存在及空化效应在超声滚压中的作用,本文首先分析了超声滚压中的空化阈值,然后进行了染色法试验和超声滚压后试样氧元素能谱分析,最后通过超声滚压加工对比试验研究了空化效应对加工后材料表面粗糙度和显微硬度的影响。研究发现,超声滚压加工中的声压幅值远大于空化阈值,满足空化存在的必要条件;超声滚压中发生了明显的卡纸染色现象,引入切削液后工件超声滚压加工表面氧元素含量显著提高,表明超声滚压中发生了空化现象。超声滚压加工中的空化效应能进一步降低工件表面粗糙度和提高表面显微硬度,有利于提高工件表面强化质量。本研究为空化效应在超声滚压中的积极利用提供了依据。     

液体薄层中的超声空化*

液体薄层中的超声空化,因其边界及所处空间的特殊性,而呈现出非常独特的空化结构和演化行为,在超声清洗、超声钎焊、表面处理、近场声悬浮、超声化学等领域都有所应用。该文梳理了近几年该课题组在液体薄层中的超声空化研究中的一些成果,力图揭示液体薄层内空泡、空化云、空化场的运动和分布规律,及其产生、发展和演化过程,以期对液体薄层中的超声空化行为有一个相对清晰和完整的认识。     

双泡超声空化计算分析

将由速度势叠加原理得到的双泡超声空化动力学微分方程归一化,通过matlab语言编程计算,分析了水中空化泡的线度、双泡间距、声压幅值、声波频率等因素对空化过程的影响. 在双泡超声空化动力学微分方程中引入双频超声,探讨了双泡双频超声问题. 研究表明泡的线度是决定空化特性的主要因素,声压幅值对空化特性的影响最大,其次是超声波的频率;双泡间的相互作用影响空化特性,这种影响随双泡间距的增大而减弱;双频超声对双泡空化特性的影响有限,这种影响在两超声分量的声压幅值相等时较强. 关键词： 超声空化 双泡 双频超声     

超声空化的研究方法及进展

综述了超声空化研究的各种方法及研究进展,总结了空化研究中存在的问题,简要介绍了超声空化在基因导入方面应用的新进展。     

超声空化现象影响因素的实验研究

超声空化在许多不同的学科和工业生产中有着广泛的应用。超声空化的应用与声场的分布及空化的机理密切相关,精准地反映空化场和空化机理是超声空化技术实际应用的关键。该文通过分析采集的声信号和金属箔膜空蚀法对空化区域随液位发生变化的现象进行研究,并利用Matlab对金属箔膜空蚀程度量化。实验发现,超声波会在液面与实验箱体底部形成驻波场。在某一液体温度下,随着液位高度的变化,超声空化现象的出现具有周期性。并且,在同一液位下,当超声功率改变时,空化区域强度分布情况随之改变。小功率时各空化区域空化强度分布均匀,当功率增大到一定时,会出现空化屏蔽现象。该研究为超声清洗设备的改良提供了借鉴,对进一步认识和利用超声空化效应具有重要意义。     

流体控制方程的超声空化泡动力学模拟*

本文基于流体动力学控制方程和VOF模型,在FLUENT 14.5软件环境下对超声空化泡进行数值模拟。首先研究了超声空化泡一个周期内的形态变化,并且利用空化泡形态变化的最大面积、最小面积、膨胀时间、收缩时间等数值结果分析超声参数对空化效果的影响。同时探究了双频超声作用下空化泡运动的变化,计算结果表明:在其他条件相同的情况下,在1~5MPa范围内,超声声压幅值为3MPa时空化效果最好;当超声频率大于20kHz时,空化效果随着超声频率的增大而降低。对于频率相同的双频超声,较声压幅值为其两倍的单频超声有更好的空化效果;对于频率不同的双频超声,空化效果受到频率差的影响。     

超声空化压力效应的测量

本文提供了一种测量超声空化所产生的压力效应的方法,即带尖端的波导探头方法.用这个方法测量了几种液体超声空化的压力峰值.对于水,它约为4 ×10~3大气压.我们研究了超声空化的压力峰值和变幅器端面振幅(相应于声压)的关系.结果表明,超声空化的压力峰值当声压达到一定值时有饱和的趋势.     

超声振动珩磨作用下空化泡动力学及影响参数

为了合理利用超声振动珩磨作用下的空化效应,以磨削区单个空化泡为研究对象,考虑珩磨头合成扰动速度和珩磨压力的作用建立了磨削区空化泡的动力学模型。数值模拟了空化泡初始半径,珩磨压力,液体静压力和超声声压幅值对磨削区空化效应的影响。研究表明考虑超声振动珩磨作用时,空化泡膨胀的幅值会受到抑制,其溃灭时间也会缩短,而且较容易出现稳态空化。珩磨压力和液体静压力对磨削区空化主要起抑制作用,超声波声压幅值在一定范围内能够促进磨削区空化效果的提升。本文的研究为进一步理解超声振动珩磨的空化机理提供了理论支持。     

超声清洗装置空化噪声谱分析法空化噪声级测量

空化强度是用以衡量液体介质中空化活动的剧烈程度,同时空化效应在超声清洗中起关键作用,因此,测量超声清洗槽中的空化强度便可了解其中空化活动的情况.当发生空化时,液体介质中会产生成分复杂空化噪声,对空化噪声谱进行分析和计算得到空化噪声级,据此可判断空化强度.实验测得结果表明:超声清洗装置内稳态空化分布广泛、均匀,瞬态空化分...     

超声空化引起界面湍动促进的传质机理

本文分析了超声空化引起界面湍动对传质过程的影响,提出了相界面上超声空化气泡析出增强边界层液体湍动并促进传质的机理,在传质理论和流体动力学原理的基础上,建立了超声空化引起界面湍动促进的传质机理模型,获得了超声空化引起界面湍动促进的传质系数表达式。实验结果验证了模型的合理性。该模型既证实了超声对传质有强化效应,又对传质过程有很好的预测功能,为工业化提供了理论依据。     

激光协同聚焦超声辐照生物样品增强热效应的实验和理论研究

对中等强度聚焦超声在生物样品中产生的热效应以及激光协同超声增强热效应进行了实验和理论研究。实验上,对生物和仿生样品在超声作用和激光协同超声作用下加热情况进行测量,通过对比表明,激光协同超声作用于生物样品,引起空化效应以及温度升高更为明显。同时,理论上对聚焦超声在生物样品中衰减产生的热效应、超声空化以及激光协同超声增强空化及其产生热效应进行机理分析。通过对机理的分析表明,激光引起的光致核化使超声空化更易于产生,有效的增强空化效应,进而增强热效应。为对具体实验给出量化分析和估算,通过理论与实验结果相拟合,对超声传播引起的温度升高进行计算,并估算超声和激光协同超声产生空化微泡对加热效应的不同贡献,为空化效应在超声治疗中的贡献提供参考数据。      

超声在植物学领域的应用

本文综述了超声在植物学研究和实践中的应用。研究涉及超声提取和分析植物体内的各种成份，超声导致的空化作用及其对植物体的影响，以及超声对植物染色体的影响等；应用超声可以分散、破碎细咆；超声还具清洁作用。在植物领域中超声的应用主要是利用了超声的空化作用、机械作用和热效应。     

弱酸试纸法测量功率超声珩磨空化声场的研究*

为了简便、直观地测量功率超声珩磨磨削区的空化声场强度及分布情况,提出了利用弱酸PH试纸测量磨削区空化声场的方法。利用超声空化效应产生的弱酸空化泡在PH试纸表面溃灭后,形成深浅和分布不同的变色区域,间接地表征油石表面空化声场的强弱和分布规律。通过对比不同超声频率、测试距离和时间,得出了最佳测试距离和时间。结果表明,当超声频率为18.6 kHz,距离为10 mm时,测得油石表面的空化声场强度和分布最佳。该方法可形象地评价功率超声珩磨磨削区空化声场的强度和分布情况,具有一定的实际应用价值。     

碟形超声变幅杆的设计

优化超声变幅杆的形状结构可有效地提高水域声场分布和空化区域,提升对水域超声空化效果。通过模拟分析发现传统超声变幅杆在水域中具有声场分布均匀性差、变幅杆端部声压高等特征,不利于声波在水域中传播。基于此,提出并优化设计了一种具有碟形结构的变幅杆,位于变幅杆的最大振幅处的碟形结构,有更大的振动位移;模拟表明其水域声场和声压均衡度显著优于传统变幅杆,铝箔空化腐蚀实验进一步证实了其水域中的声压分布均匀性。同时,实验通过铝箔的空化腐蚀、KI剂量测定及工件表面油渍去除对比了传统变幅杆和碟形变幅杆,分析表明碟形变幅杆所在水域中有较大的空化腐蚀区域,腐蚀速率明显提升,声化学反应速率提高,油渍去除程度增强,说明了设计的碟形变幅杆能够促进空化泡的产生,增加水域空化区域。     

超声空化及其声流结构实验研究*

超声空化及其声流效应在医学、化工和能源等领域得到广泛应用。本文采用高速摄像和粒子图像测速系统分别研究了超声场下的空化形态和声流场结构的时空演化规律。实验研究了50W,100W,200W和250W等四种不同输入功率对18kHz的超声变幅杆附近空化及其声流场的影响。研究结果表明：（1）在变幅杆下端面处观察到由大量空化气泡均匀分布组成的倒置锥形空泡结构,并且锥形空泡结构为稳态流动结构。（2）在超声变幅杆附近产生了两种不同的声流形式,第一种是变幅杆底端的射流型声流,第二种是变幅杆两侧的回旋流。此外,通过研究空泡与声流场中最大速度点之间的空间对应关系,发现声流是因为空泡流动带动而产生的。（3）空间位置和输入功率能显著影响射流型声流的流场结构,但是对回旋流的影响十分微弱。     

超声空化引入物理实验教学的探讨

超声空化引入物理实验教学的探讨周辉，莫喜平，王双维（东北师范大学声学物理系，长春１３００２４）冯若（南京大学声学研究所，２１０００８）超声空化是指在超声场作用下，液体中微小气泡（常称为空化核）的生长、振荡及崩溃等一系列过程（１）．空化是声学与化学、生...