聚焦超声在脱气水声场中的多泡分布与声致发光研究

氯化钠水溶液中多泡声致发光光谱的实验研究1陈瞻，徐俊峰，黄威，陈伟中，缪国庆南京大学声学研究所, 近代声学教育部重点实验室(南京大学)，南京 (210093)E-mail：miaogq@摘要：实验研究了不同浓度、不同氪气含量氯化钠水溶液中的多泡声致发光光谱,对其连续谱背景上出现的310纳米处的氢氧根离子光谱和589纳米处的钠原子光谱进行重点观察与比较。

发现在相同实验条件下，钠原子光谱强度明显高于氢氧根离子光谱强度，且其对实验条件的改变更加敏感。

而氪气含量，氯化钠水溶液浓度及驱动声压也在一定范围内对光谱强度的变化有较明显的影响。

；；；；；关键词：声空化 声致发光 光谱 氯化钠水溶液浓度 氪气含量 驱动声压1．引言当液体中存在由超声波产生的声场,而这个声场的声压超过某一阈值时,液体中会产生大量的气泡,这种现象称之为声空化。

这些空化气泡将以与声场相同的频率进行非线性的膨胀与收缩。

当驱动超声波的声压进一步增大时,这些气泡将发生急剧的塌缩,在这一塌缩过程中气泡中将产生复杂的物理化学变化并发光。

这种现象称之为声致发光。

而这种由众多气泡产生的瞬态发光则称之为多泡声致发光(MBSL)。

二十世纪七十年代，F.R.Young等人[1]研究了溶有了包括五种惰性气体在内共十七种气体的水溶液的声致发光现象，此后惰性气体含量对于MBSL的影响成为声致发光领域的主流研究方向。

二十世纪九十年代初,Gaitan等人[2]首先利用除气的方法使得单个气泡能够稳定发光，称之为单泡声致发光(SBSL)。

此后各国科学家们基于这一实验技术进行了一系列实验,分别从使用的溶液的类型[3]，气泡动力学的理论及实验研究[4][5][6]，声致发光光谱的假设[7]等方面着手，发现了许多有趣和有价值的现象,使得声致发光逐渐成为了物理学和声学领域的热门课题之一。

近年来，Mutula等人[8]实验对比了MBSL与SBSL在相近的实验条件下的光谱，对MBSL与SBSL的发光机理进行了大胆的假设。

基于声异常透射效应的高强度聚焦超声换能器章东;李成海;林洲【摘要】高强度聚焦超声(High intensity focused ultrasound ,HIFU )作为一种新型无创的外科技术已在临床上应用于各种良恶性实体肿瘤治疗.为了实现安全高效的肿瘤治疗,HIFU换能器的聚焦效率仍然有待提高.本文综述了声异常透射效应的基本原理,以及近期利用声异常透射效应的 HIFU聚焦超声换能器的研究.主要涉及两个方面的工作:(1)将声人工结构引入凹面型声透镜的设计,设计并制作了声超常透镜,对声透镜式聚焦换能器进行改进,达到了降低旁瓣的效果,从而提高了 HIFU治疗的安全性;(2)基于球弧周期槽阵列设计并制作了超构聚焦换能器,以增强 HIFU换能器聚焦效率.从理论及实验两方面研究了超构聚焦换能器与传统凹面换能器的声压分布和在组织中产生的温升.本文研究结果可进一步促进HIFU在临床治疗的广泛应用.【期刊名称】《数据采集与处理》【年(卷),期】2018(033)004【总页数】11页(P575-585)【关键词】高强度聚焦超声;声异常透射;声人工结构;聚焦增强【作者】章东;李成海;林洲【作者单位】南京大学声学研究所,南京,210093;南京大学声学研究所,南京,210093;南京大学声学研究所,南京,210093【正文语种】中文【中图分类】O426.9;O426.2引言高强度聚焦超声(High intensity focused ultrasound，HIFU)作为一种新型无创的外科技术得到人们广泛关注，并已在临床上应用于各种良恶性实体肿瘤的治疗[1]。

在HIFU治疗过程中，超声换能器以一定的聚焦方式将体外低能量的超声聚焦到体内形成一个高能量的靶点，使组织温度迅速上升，超过56 ℃，致使蛋白质变性，靶区组织发生不可逆凝固性坏死，但却不会损伤焦域外的正常组织[2]。

随着HIFU技术的发展，人们对聚焦换能器的性能提出了更高的要求。

电磁波和超声波的区别超声波是频率超过20000HZ的声波，声波是由空气振动产生的。

因其方向性很好，常用作探测工具。

电磁波是由电磁感应产生的能量波。

常作为信息载体，如手机信号。

电磁波电磁波是什么正像人们一直生活在空气中而眼睛却看不见空气一样，人们也看不见无处不在的电磁波。

电磁波就是这样一位人类素未谋面的"朋友〞。

电磁波是电磁场的一种运动形态。

在高频电磁振荡的情况下，局部能量以辐射方式从空间传播出去所形成的电波与磁波的总称叫做"电磁波〞。

在低频的电振荡中，磁电之间的相互变化比拟缓慢，其能量几乎全部反回原电路而没有能量辐射出去。

然而，在高频率的电振荡中，磁电互变甚快，能量不可能全部反回原振荡电路，于是电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播出去。

电磁波为横波。

电磁波的磁场、电场及其行进方向三者互相垂直。

电磁波的传播有沿地面传播的地面波，还有从空中传播的空中波。

波长越长的地面波，其衰减也越少。

电磁波的波长越长也越容易绕过障碍物继续传播。

中波或短波等空中波那么是靠围绕地球的电离层与地面的反复反射而传播〔电离层在离地面50～400公里之间〕。

振幅沿传播方向的垂直方向作周期性交变，其强度与距离的平方成反比，波本身带动能量，任何位置之能量功率与振幅的平方成正比。

其速度等于光速〔每秒3×1010厘米〕。

光波就是电磁波，无线电波也有和光波同样的特性，如当它通过不同介质时，也会发生折射、反射、绕射、散射及吸收等等。

在空间传播的电磁波，距离最近的电场〔磁场〕强度方向一样和量值最大两点之间的距离，就是电磁波的波长。

电磁波的频率γ即电振荡电流的频率，无线电播送中用的单位是千赫，速度是c.根据λγ=c,求出λ=c/γ.电可以生成磁，磁也能带来电，变化的电场和变化的磁场构成了一个不可别离的统一的场，这就是电磁场，而变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波，所以电磁波也常称为电波。

1864年，英国科学家麦克斯韦在总结前人研究电磁现象的根底上，建立了完整的电磁波理论。

文章编号:100023630(2000)0420205203凹球面聚焦脉冲声场特征的分析钱盛友1、2,邢达1(1.华南师范大学激光生命研究所,广州510631;2.湖南师范大学电子信息科学系,长沙410081)摘要:本文利用传递函数的概念导出了凹球面聚焦脉冲声场的简洁表达式,据此研究了源脉冲持续时间对声场分布的影响。

关键词:凹球面;聚焦声场;脉冲;传递函数中图分类号:O4222 文献标识码:ACharacteristic analysis of focused impulse sound f ield generated by concave spherical surface transducersQ IAN Sheng 2you 1、2,XIN G Da 1(1.Institute of Laser Life Science ,South China Normal University ,Guangzhou 510631,China ;2.Department of Electronic Information Science ,Hunan Normal University ,Changsha 410081,China )Abstract :A simple expression to analyze focused impulse sound field generated by concave spherical surface trans 2ducers is deduced based on the conce pt of transfer function ,and effects of exciting pulse duration on sound field are studied.K ey w ords :concave spherical surface ;focused sound field ;pulse ;transfer function收稿日期:2000204203;修订日期:2000207211湖南省教委基金资助项目。

声学研究的最新成果近年来，随着科技的快速发展，声学研究也取得了越来越多的进展。

下面，让我们一起来探讨一下声学研究的最新成果。

一、声学成像技术的应用声学成像技术是指利用声波进行成像的技术，其应用非常广泛。

例如，医学上常见的超声波成像，就是利用声波成像技术采集人体内部的图像。

此外，声学成像技术还可以用于非破坏性检测、环境监测、地质勘探等领域。

最近，新型的声学成像技术——脉冲相干全息（PCH）成像技术，受到了广泛关注。

这种技术可以同时获得目标的相位和振幅，从而实现高分辨率的成像。

相比于传统的声学成像技术，PCH技术具有更高的速度和更高的精度。

二、声学超材料的研究声学超材料是指由人工设计的材料，可以控制声波在其中的行为。

最近，研究人员利用声学超材料设计了一种新型的声波透镜。

这种透镜可以将入射的声波经过特殊的材料结构折射，从而实现对声音的聚焦和扩散。

此外，声学超材料还可以用于声子晶体的研究。

声子晶体是一种能够控制声波在其中传播的材料，其具有很好的声学性能。

利用声学超材料设计的声子晶体可以在声学器件的应用中发挥重要作用。

三、空气中声波的传播规律研究空气中的声波传播规律是声学研究的一个重要方向。

最近，研究人员通过数值计算和实验验证，揭示了一种新型的声波传播现象——声波反弹。

研究表明，当声波遇到具有相反声波方向的界面（例如，墙壁或障碍物）时，会发生反弹现象。

这种现象的发现对于城市建设和防灾减灾有重要的意义。

例如，在警报系统中，我们可以通过声波反弹现象设计出更为高效的立体声警报器。

四、声音对人类身心健康的影响研究声音是我们日常生活中不可或缺的一部分，它对我们的身心健康有着重要的影响。

最近，研究人员对声音的影响进行了深入研究。

研究表明，特定的声音可以改善我们的注意力和情绪状态。

例如，某些自然声音（如水流声、鸟鸣声等）可以缓解焦虑症状，提高注意力和工作效率。

此外，还有一些声音被证明具有治愈效果。

例如，声波疗法就是一种利用声波治疗身体疾病的方法，其原理就是通过声波的能量调理人体内部的生物场，从而调整身体的免疫功能和生理机能。

多泡声致发光na原子特征光谱的展宽和频移多泡声致发光（MDL）技术是目前最为常用的研究na原子特征光谱的手段之一。

MDL技术能够通过观测钠原子在等离子体中的发射光谱，来分析其电子结构和能级分布情况。

这里我们将重点介绍MDL技术在展宽和频移方面的应用。

一、展宽在MDL技术中，由于等离子体中钠原子的碰撞与复合过程，其发射光谱线形会发生展宽。

通过对光谱线形进行分析，可以了解等离子体内钠原子的碰撞和复合过程的情况，从而更好地理解钠原子的光谱特性。

常用的展宽模型包括Lorentz模型和Gauss模型。

Lorentz模型适用于在等离子体中没有相互作用的原子，而Gauss模型适用于相互作用较弱的原子。

对于高密度等离子体，可以采用改进的Lorentz-Gauss组合模型。

通过对这些模型进行拟合，可以得到精确的光谱线形参数，从而洞察钠原子在等离子体中的动力学过程。

二、频移MDL技术还可以用于分析钠原子的光谱频移，即光谱线位置发生的变化情况。

频移主要是由于热运动、多体效应和辐射场性质等因素引起的。

频移量可以通过电子温度和电子密度的变化进行计算。

在等离子体中，由于钠原子与其它粒子的碰撞发生，导致能级发生变化，因而造成频移。

特别地，在高密度等离子体中，频移现象更加显著。

通过对频移的测量，有助于研究等离子体中的粒子动力学过程，并且可以应用于等离子体诊断领域。

三、总结在MDL技术中，展宽和频移是两个重要的研究方向。

展宽研究主要从理论上探讨等离子体中的物理过程，而频移研究则可以应用于等离子体诊断和分析等领域。

在未来的研究中，MDL技术会与其它技术相结合，深入挖掘钠原子光谱特性，为相关领域的研究提供更加细致的数据支持。

中文摘要中文摘要本论文在调研国际、国内有关声致发光研究历史和进展的前提下，对如何降低声致发光的闽值在理论上和实验上展开工作，取得了一定的成果，并设计了一个新的测量超声场强度的方法，实验上证明了其可行性。

本文在第一章概述了声空化和声致发光研究的历史和进展，从两大类声致发光及其应用方面阐述了本研究工作的意义。

然后，对现在已有的关于声空化、声致发光理论模型作一简单介绍。

第二章内容介绍了本工作使用的关键仪器和自制实验装置。

分析了实验中使用的两套致冷ｃｃＤ图像探测系统的量子效率、噪声、放大倍数等重要参数。

同时还分析了超声发生装置的特性。

然后，分三部分详细介绍了理论和实验－Ｌ作：第三章从实验和理论上分析超声作用频率对声致发光闽值的影响。

超声的驱动频率的火小影响气泡的膨胀比（气泡在超声作用下膨胀的最火半径／最小半径），进而影响气泡爆破时产生的温度，导致不同频率条件下气泡地声致发光阈值不同。

实验发现，随着超声频率的降低，声致发光闽值也降低，二者近似成线性关系。

第四章讨论了不同惰性气体对声致发光阈值的影响。

气泡内的惰性气体不同使气泡内的绝热系数和热扩散系数不同，惰性气体的原子质量越大，气体的绝热系数就越大而扩散系数就越小。

通过对含有单～氦、氩、氪的气泡进行声致发光闽值研究，发现随着气体原于质量的增加，气泡的声致发光阈值降低。

第五章介绍了一种利用声致发光成像的技术动态地测量液体中的声场强度的方法。

液体在超声的作用下产生的声致发光强度与驱动超声压强的大小有关，经多次试验发现液体中的超声压强与声致发光的强度近似呈线性关系。

通过液体中声致发光的强弱可以反映该发光情况下驱动声压大小，提出了一种新的测量声场的方法。

目前实验装置豹最小测量分辨率达到ｏ．００１ａｔｍ。

最后，本文对声致发光在生物和医学上的应用研究作…简要展颦，声致发中文摘要光不但具有在生物组织里穿透能力强等优点，而且能把生物问题通过光学手段显示出来，因此，具有广阔的应用前景。

聚驱后水淹层声电响应特征研究张庆国;宋增彬;刘茗茗;陈熹【摘要】为准确认识聚合物对声电曲线的影响,采用对子井分析技术,对应水洗程度,研究了深侧向测井曲线、R25电阻率曲线、声波时差曲线聚驱前后响应特征的变化,结合聚合物溶液实验和岩石电阻率、声波实验的结果,从机理角度出发,分析了产生这些变化的原因.聚合物具有弱导电性,聚合物溶液的电阻率主要取决于溶液的矿化度.注入清水聚合物的区域有电阻率上升现象.聚合物浓度越大,声速越小,声波时差越大.聚驱声波时差较水驱略有增大.淡水聚驱情况下,电阻率值和声波时差值在强水洗层段的增加量略高于中水洗层段.研究结果对聚驱后测井解释分析提供了参考依据.【期刊名称】《测井技术》【年(卷),期】2014(038)004【总页数】4页(P421-424)【关键词】测井解释;聚驱;岩石声电实验;水淹层;测井响应【作者】张庆国;宋增彬;刘茗茗;陈熹【作者单位】东北石油大学,黑龙江大庆163000;东北石油大学,黑龙江大庆163000;东北石油大学,黑龙江大庆163000;大庆油田有限责任公司采气分公司,黑龙江大庆163000【正文语种】中文【中图分类】P631.840 引言大庆萨尔图油田Ⅰ类油层已全面开展了注聚驱油，聚驱后采收率达到50%左右，比水驱时提高了10%～15%，但地下仍有50%左右的原油未被采出，因此准确描述聚驱后剩余油潜力及分布状况具有重要意义［1］。

但在已经注聚区块的测井解释中，发现注聚后的葡Ⅰ1－2油层水淹程度明显偏低。

本应是中高水淹的层位，测井曲线却有弱、低水淹的特征。

深侧向曲线较注聚前有所升高，被误解释为低水淹甚至是未水淹［2］；并且发现声波时差较注聚前略有增大，也致使测井解释有所偏差。

可见对聚驱后声电特性的研究非常必要。

以往研究分析认为聚驱后，由于聚合物自身性质和混合地层水矿化度的变化［3－5］，油层注聚后测井响应特征发生了变化［6－8］。

本文主要研究区域为萨北开发区北二西东部，地处大庆长垣萨尔图背斜构造北部西侧东块，该区含油面积3.6km2，共有油水井299口。

液体材料超声处理过程中声场和流场的分布规律研究吴文华;翟薇;胡海豹;魏炳波【摘要】针对合金熔体等液体材料的超声处理过程,选取水作为透明模型材料,采用数值模拟计算和示踪粒子实验方法,研究了20和490 kHz两种频率超声作用下水中的声场和流场分布.结果表明,增大变幅杆半径能够提高水中声压水平,扩大空化效应的发生区域.当超声频率为20 kHz时,水中声压最大值出现在超声变幅杆下端面处,且声压沿传播距离的增大而显著减小.如果超声频率增加至490 kHz,水中的声压级相比于20 kHz时明显提高,且声压沿着超声传播方向呈现出周期性振荡特征.两种频率超声作用下水中的流场呈现相似的分布特征,且平均流速均随着变幅杆半径增大表现出先升高后降低的趋势.变幅杆半径相同时,20 kHz频率超声作用下水中的平均流速高于490 kHz频率超声.采用示踪粒子图像测速技术实时观察和测定了水中的流速分布,发现其与计算结果基本一致.%When ultrasound propagates in a liquid alloy, nonlinear effect takes place such as cavitation effect and acoustic streaming, which accelerates the solute and thermal transportation during alloy solidification, and consequently, improves the solidification microstructures and mechanical properties of the metallic alloy. Therefore, it is significant to investigate the ultrasound propagation characteristics in liquid. Here, by choosing water as a model transparent material, the acoustic fields and flow fields induced by 20 and 490 kHz ultrasounds are investigated by numerical simulation, and the effects of frequency and ultrasonic horn radius are studied. Firstly, the simulation results demonstrate that the sound pressure under 20 kHz ultrasound decreases obviously along the ultrasonic propagation direction, and themaximum of sound pressure value is equal to the initial pressure. In this case, the cavitation effect only occurs in the region close to the ultrasonic horn. By contrast, when the ultrasonic frequency increases to 490 kHz, the sound pressure is higher than that of 20 kHz ultrasound, and displays periodical vibration characteristic along the wave propagation direction. The cavitation volume correspondingly expands to a large extent with a regular striped distribution. It can also be found that increasing the ultrasonic horn radius under 20 and 490 kHz ultrasounds can effectively promote the sound pressure level in water, and hence leads to the remarkable enlargement of cavitation volume. Secondly, the calculated results of flow field indicate that the streamlines in water are similar under the two ultrasounds with different frequencies. A jet produced by the center of horn spreads down and divergences to both sides after reaching the bottom. For both frequencies as the horn radius increases, the radius of jet increases and the average velocity in water first increases and then decreases, whose maximum value appears when the horn radius is 40 mm. Meanwhile, the average velocity under 20 kHz ultrasound is larger than that under 490 kHz ultrasound for each horn radius. Finally, particle image velocimetry method is employed to measure the velocity field in water. Both the positions of eddy and the velocity distribution are the same as the simulation results, which verifies the reliability of the present theoretical calculation model. The scenario in this work is analogous to the acoustic field and the flow field in liquid alloy, which is beneficial for thedesign of parameter optimization during ultrasonic processing in alloy solidification.【期刊名称】《物理学报》【年(卷),期】2017(066)019【总页数】10页(P140-149)【关键词】超声;声场;流场;空化效应【作者】吴文华;翟薇;胡海豹;魏炳波【作者单位】西北工业大学理学院, 西安 710072;西北工业大学理学院, 西安710072;西北工业大学航海学院, 西安 710072;西北工业大学理学院, 西安 710072【正文语种】中文针对合金熔体等液体材料的超声处理过程,选取水作为透明模型材料,采用数值模拟计算和示踪粒子实验方法,研究了20和490 kHz两种频率超声作用下水中的声场和流场分布.结果表明,增大变幅杆半径能够提高水中声压水平,扩大空化效应的发生区域.当超声频率为20 kHz时,水中声压最大值出现在超声变幅杆下端面处,且声压沿传播距离的增大而显著减小.如果超声频率增加至490 kHz,水中的声压级相比于20 kHz时明显提高,且声压沿着超声传播方向呈现出周期性振荡特征.两种频率超声作用下水中的流场呈现相似的分布特征,且平均流速均随着变幅杆半径增大表现出先升高后降低的趋势.变幅杆半径相同时,20 kHz频率超声作用下水中的平均流速高于490 kHz频率超声.采用示踪粒子图像测速技术实时观察和测定了水中的流速分布,发现其与计算结果基本一致.在金属熔体凝固的过程中施加功率超声能调控金属的结晶过程、细化凝固组织,在材料制备领域有着广泛应用［1−8］.这是由于超声波在液体中传播时能够产生空化、声流等非线性效应,从而改善材料内部组织结构并优化其性能［9−14］.所谓空化效应,是指当水中的声压超过某一临界值时,其中振荡的气泡会发生破灭和崩塌,从而形成局部瞬时的高温高压,显著改变液相中的热力学状态.而声流是由于声压梯度的存在而在液体内部形成的整体性环流,能够大大加速与相变过程相关的传热和传质速度.由此可见,液相内部的声压分布、发生空化效应的体积以及声流形态和流速大小是衡量超声波对液相作用效果的主导因素.从超声施振的方式而言,通常采用将超声变幅杆直接插入液相中一定深度进行施振.在这种情况下,超声频率、功率、变幅杆半径和液体种类等参数都能够改变液相中的声场和流场分布特征［15］,成为影响超声对液相作用效果的重要参数.如果只是进行实验研究,限于实验装置和条件,研究者通常只能改变单一或少数参量,而无法全面考察各种实验参量对声场和流场分布的作用规律.因此,建立超声波在液相中传播的声场和流场理论模型,研究各种参数对超声作用效果的影响,就成为亟待解决的科学问题.目前,国际上已经有一些相关的研究报道.如Trujillo和Kai［16］研究了超声频率为20 kHz时水中的流速分布;Kojima等［17］测量了490 kHz超声作用下水中的声压和流速分布.然而,不同超声频率和变幅杆半径作用下的声场和流场变化特征尚不明确.通过构建理论模型,能够总结出这些参量对声场和流场分布的作用规律,为揭示超声波在合金凝固过程中的传播规律奠定基础.由于水和熔融铝的相关流体性质类似,如室温下水的动力黏度和熔融铝的动力黏度是一个量级,且二者的声谱在整个宽带频谱上分布类似,可以认为水和熔融铝在超声处理下具有相似的行为［18］.另外,合金熔体中的流场无法直接观察,而水作为透明液体,可以用示踪粒子图像测速技术直接测量出超声作用下水中的流场,与构建的模型进行比较,以此来验证模型的正确性,从而可以将模型推广到合金熔体中去.因此,本文选取水为透明模型材料,建立了超声波在液态水中传播的声场和流场理论模型,数值计算了水中声压级和流速分布,研究了超声频率和变幅杆半径对声场分布、空化体积、流场形态和流速的改变规律.同时,采用粒子图像测速技术实时观察了水中的流线分布,并通过对流速的精确测定,验证了计算结果的正确性.三维几何模型如图1(a)所示,半径为50 mm、高为100 mm、厚度为10 mm的圆柱体玻璃容器中装满液态水.超声变幅杆从容器顶面中心插入液面以下30 mm,变幅杆半径R分别为1,20,40和49 mm.水中的谐波方程为方程(1)中,p代表声压;角频率定义为ω=2πf,其中f为超声频率;ρc和cc分别代表水和石英的复密度和复声速,表示为复波数kc和阻抗Zc可用下式表示:其中,α是声吸收系数,c0和ρ0分别表示水中的声速和水密度.计算过程中所用到的物理量数值如表1所列.由于该模型关于中心轴对称,故石英容器中的声场分布可由中心截面上的声场旋转一周生成,其几何边界条件如图1(b)所示.在水-空气和石英-空气界面上满足阻抗边界条件:其中,Ze=ρece是外部区域的阻抗(ρe和ce分别代表空气的密度和空气中的声速),n为垂直于壁面的单位矢量.超声变幅杆的作用等效为施加在液面中心的压力,初始压强大小恒定为9.42×105Pa.在水和石英中的初始声压均设置为0 Pa,分别研究20和490 kHz频率超声作用下水中的声场分布.在计算过程中,根据有限元方法,使用三角形网格划分,将整个计算区域剖分为约10000个网格,计算的自由度数约为20000个.流场由运动方程(方程(5))以及连续性方程(方程(6))得到:其中,τ表示黏度的压力张量,I为单位矩阵,u和p分别是流速和液体中的压力,F表示产生声流的单位体积上的力.结合方程(5)和(6),体积力表示为［21］µ为液体黏度,µb为体积黏性系数,p2和u2是声压和流速的二阶近似的时间独立量.在不考虑其他外力作用下,产生声流的体积力仅由声辐射力提供,此时体积力即为声场产生的声辐射力Fac,表示为［22］其中,uac是由声波在液体中传播产生的振荡速度,使用驻波近似p≈uacρ0c0［22］,则声辐射力的大小可以表示为［23］将通过声场模型得到的水中声压场导入到方程(9)中,计算得到声辐射力.再将声辐射力导入流场模型中,即可算出容器中的流场分布.流场边界条件如图1(c)所示.与计算水中声压分布的模型相同,只计算石英容器中心截面上的流场分布.利用有限元计算方法,整个计算区域包括约100000个三角形网格,计算的自由度数约为260000个.如图2所示,利用粒子图像测速技术测定了20 kHz超声作用下纯水中的流场分布.在底面半径为40 mm、高为100 mm、厚度为5 mm的烧杯里装满水,将半径为10 mm的变幅杆插入液面以下30 mm.在水中加入粒径为20—30µm、密度为1 g/cm3的硼硅酸盐空心玻璃微珠作为示踪粒子.激光光源选用功率为7 W的二极管抽运固体激光器,激光波长为532 nm.实验过程中,将激光器、烧杯和超声变幅杆的中心固定在一条直线上.当超声换能器开始作用时,打开激光光源,通过高速摄像机捕捉到2.5 s曝光时间内示踪粒子在水中的运动状态,然后将数据导入PIVlab软件中,从而测算出水中的流场分布.图3(a)为20 kHz频率超声作用下水中声压分布随变幅杆半径的变化规律.可以看出,声压沿超声传播方向呈衰减趋势.增大变幅杆半径能有效提高水中的声压水平,但位于变幅杆下端面处的声压最大值没有发生改变,均等于初始压强9.42×105Pa.进一步研究了不同半径的变幅杆作用下水中空化区域的大小.假设液体中充满半径为r0的气泡,根据气泡内外压力平衡方程以及气体状态方程,超声作用下液体强度Pt 可表示为［24］其中,Pa为大气压,Pv为水的饱和蒸气压,σ为水的表面张力系数.设声压振幅为p0,则液体中压强的幅度为|Pa±p0|,当Pa＜p0形成负压,这时空化核在负压作用下膨胀;当|Pa−p0|≥P t(注意:Pa−p0＜0)时形成空化,即超声空化阈值Pc为水中气泡半径r0设为1µm,温度为25°C.将相关数据代入(11)式,通过计算可以得到空化声压阈值Pc,水中声压大于Pc的区域为空化效应发生的区域,即图3(a)—(d)中黑色虚线上方的区域.由图可知,整个空化区域近似于圆锥体,且随着变幅杆半径的增大,位于变幅杆下端面附近的空化区域体积增大.超声频率为490 kHz时不同半径的变幅杆作用下水中声压分布如图4(a)所示.随变幅杆半径的增大,水中的声压水平增大.比较了490 kHz和20 kHz频率超声作用下水中沿z轴的声压分布,如图5(a)所示.可以看出490 kHz频率超声作用下水中声压沿超声传播方向呈周期性振荡特征,与超声频率为20 kHz时声压沿传播方向呈衰减趋势大不相同.这与超声的衰减系数有关,20和490 kHz频率超声下的衰减系数分别为25和1 m−1,衰减系数越小,超声在水中越以一种近简谐运动传播,从而改变了声压在水中的分布.490 kHz频率超声作用下水中的最大声压均大于初始压强,且声压最大值在变幅杆半径为40 mm时达到12 MPa.相应地,研究了水中的空化区域随变幅杆半径的变化规律,如图4(b)所示.图中绛红色区域表示水中的空化区域.由图可知,随着变幅杆半径的增大,水中发生空化效应的区域增大.在变幅杆正下方发生空化效应的区域呈规则条纹状分布,且空化区域体积明显大于其他区域.如当变幅杆半径为40 mm时,变幅杆正下方64.96%的空间为空化区域,而其他区域只有26.73%的空间发生空化效应.比较了20和490 kHz两种频率超声作用下声压分布和水中空化体积分数随变幅杆半径的变化规律,如图5(b)所示,由图可知,相同变幅杆半径下,490 kHz频率超声作用下水中声压水平和空化体积分数均大于20 kHz频率超声.当变幅杆半径为1 mm时,两种频率超声作用下水中均不发生空化效应.而当半径增至49 mm时,20 kHz频率超声作用下水中空化区域仅占石英容器总体积的15.7%,而490 kHz频率超声作用下水中发生空化效应的区域达到总体积的66.1%.由方程(11)可知,当假设液体中充满一定半径的微气泡时,空化阈值被确定,声压大于空化阈值的区域都将发生空化效应.比较两种频率下声压分布可知,高频超声作用下水中各个区域的声压水平高于低频超声下的声压水平,使得高频超声比低频超声作用下声压大于空化阈值的区域大,因此高频超声波的空化体积分数明显大于低频的.另外,比较图5(b)中两条曲线的斜率可知,随着变幅杆半径的增大,高频超声下的空化体积分数比低频超声下的增长得快.超声频率为20 kHz时不同变幅杆半径下水中的流场分布,如图3(b)所示.图中颜色深浅代表流速的大小,箭头代表流动的方向.由图可知,增大变幅杆半径会改变水中的流线分布.当变幅杆半径分别为1,20和49 mm时,均只在石英容器的下方出现两个对称的逆时针旋转的漩涡(即图3(b1)—(b4)中的A1和A2点处);而当变幅杆半径为40 mm时,除石英容器下方的漩涡,在靠近液面处(即图3(b3)中的B1和B2点处)还存在两个对称的逆时针旋转的漩涡.随着变幅杆半径的增大,水中的最大流速先增大后减小,在变幅杆半径为40 mm时达到最大值600 mm/s.490 kHz频率超声作用下水中的流场分布随变幅杆半径的变化规律如图4(c)所示,流场分布与20 kHz超声频率下的流场分布相似.一股射流自变幅杆中心射出,遇到底面后向两边发散.随着变幅杆半径的增大,射流半径增大.另外,在变幅杆半径为0.04 m时,除石英容器下方(即图4(c1)—(c4)中的A1和A2点处)的漩涡外,在靠近液面处(即图4(c3)中的B1和B2点处)还存在两个对称的逆时针旋转的漩涡.而其他半径下,仅在A1和A2处存在两个漩涡.两种频率超声作用下水中的平均流速随变幅杆半径变化的拟合曲线如图6(a)所示.相同变幅杆半径下,20 kHz超声作用下水中的平均流速均大于490 kHz超声作用下水中的平均流速.随变幅杆半径的增大,20和490 kHz超声作用下水中的平均流速均先增大后减小.20 kHz频率超声作用下水中的平均流速在R=40 mm处达到最大值243.5 mm/s.而当超声频率为490 kHz时,水中的平均流速在R=40 mm处达到最大值172.7 mm/s.研究了两种频率超声作用下水中的最大流速随变幅杆半径的变化规律,如图6(b)所示.频率为20 kHz的超声作用下,水中的最大流速随变幅杆半径的增大先增大后减小,最大流速在R=33 mm处存在一个极大值.而当超声频率增至490 kHz时,水中的最大流速随变幅杆半径的增大出现两个极大值.20 kHz频率超声作用下水中流场分布的实验和模拟结果比较如图7所示.其中,M 和N分别表示数值模拟和实验中漩涡出现的位置.由图可知,漩涡位置对称分布,且模拟出的流线分布与实验结果相符.另外,通过粒子图像测速技术观察到变幅杆下方水中示踪粒子的运动状态,如图7(a)所示.其中白色斑点为示踪粒子.比较变幅杆下方3 mm处(即图7(a)和图7(b)中的KL段,|KL|=20 mm)实验和数值计算的流速分布,如图7(c)所示.可以看出,实验测定和数值模拟的结果十分符合,沿KL段的流速均呈现先上升后下降的趋势,且流速最大值均出现在r=5.2 mm附近,从而验证了计算结果的可靠性.以水为透明模型材料,数值模拟了20和490 kHz频率超声作用下水中的声场和流场分布,并通过示踪粒子图像测速的方法进行了实验研究,得到以下主要结论.1)当超声频率为20 kHz时,声压沿超声传播方向呈衰减趋势;而当超声频率增至490 kHz时,声压水平提高,且沿传播方向呈周期性振荡特征;增大变幅杆半径能够使水中声压和发生空化效应的区域增大.2)相同变幅杆半径作用下,两种频率超声在水中引发了相似的流场分布,且20 kHz 超声作用下水中的平均流速均大于490 kHz超声作用下水中的平均流速.3)实验观测了水中的流场分布特征并测定了流速,发现漩涡出现的位置和流速大小均与数值计算结果较好地符合,验证了声场和流场模型的正确性.4)研究结果可以类比出超声在合金熔体中产生的声场和流场,从而为超声处理合金熔体过程的参数优化设计提供有益指导.【相关文献】［1］Jian X,Xu H,Meek T T,Han Q 2005 Matter Lett.59 190［2］Zhang S,Yin L,Fang N 2009 Phys.Rev.Lett.102 194301［3］Zhao F Z,Zhu S Z,Feng X H,Yang Y S 2015 Acta Phys.Sin.64 144302(in 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神奇的声致发光
张桂清
【期刊名称】《光的世界》
【年(卷),期】1995(000)004
【总页数】1页(P17)
【作者】张桂清
【作者单位】无
【正文语种】中文
【中图分类】O482.31
【相关文献】
1.聚焦超声在脱气水声场中的多泡分布与声致发光研究 [J], 张玉荣;李非;陈宗桂;龚晓波;李发琪
2.惰性气体参数对声致发光的影响 [J], 王德鑫;那仁满都拉
3.“神奇”何以神奇──来自遵义市神奇保健厂的报道 [J], ;
4.声致发光技术进展与应用前景 [J], 于颖; 石鑫; 刘忱; 王海凤
5.硫酸溶液中声致发光空泡的质量传递 [J], 吕良;胡凯
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对单泡声致发光和多泡声致发光的光谱和发光机制
的研究的开题报告
题目：单泡声致发光和多泡声致发光的光谱和发光机制的研究
摘要：
声致发光是一种新颖的光致发光过程，即在声波的作用下，物质会
产生发光现象。

单泡声致发光和多泡声致发光是声致发光中的两种典型
形式。

研究单泡声致发光和多泡声致发光的光谱特性和发光机制对于深
入理解声致发光现象具有重要意义。

本文拟通过综合文献研究、理论分析和实验探究的方法，对单泡声
致发光和多泡声致发光的光谱和发光机制进行系统研究。

具体地，研究
内容包括以下几个方面：
1. 单泡声致发光的光谱和发光机制：分析单泡声致发光的典型光谱
特征，探讨单泡声致发光的发光机制，包括声波-气泡相互作用和声波-液体相互作用。

2. 多泡声致发光的光谱和发光机制：研究多泡声致发光的光谱特征，探讨多泡声致发光的发光机制，如声波-气泡-液体三相相互作用。

3. 实验研究：设计实验方案，对单泡声致发光和多泡声致发光的光
谱和发光机制进行实验验证。

预期成果：
通过对单泡声致发光和多泡声致发光的光谱和发光机制的研究，本
文预期得出以下成果：
1. 揭示单泡声致发光和多泡声致发光的光谱特征和发光机制。

2. 探讨声波-气泡和声波-液体相互作用对单泡声致发光的影响，以
及声波-气泡-液体三相相互作用对多泡声致发光的影响。

3. 通过实验验证，得出单泡声致发光和多泡声致发光的光谱和发光机制。

4. 为声致发光技术的应用提供理论支持。

关键词：单泡声致发光、多泡声致发光、光谱、发光机制。