声致发光
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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。
第13卷第5期船舶力学Vol.13No.5 2009年10月Journal of Ship Mechanics Oct.2009文章编号:1007-7294(2009)05-0828-13水下爆炸气泡动态特性研究综述张阿漫1,3,汪玉2,闻雪友3,倪宝玉1,姚熊亮1,韩蕴韬1(1哈尔滨工程大学船舶工程学院,哈尔滨150001;2海军装备研究院,北京100073;3哈尔滨船舶锅炉涡轮机研究所,哈尔滨150036)摘要:据研究表明,对于舰船工程而言,水下爆炸造成的危害十分巨大,爆轰冲击波仅对舰船产生局部破坏,而气泡运动引起的脉动压力、滞后流对舰船造成总体破坏,危及舰船总纵强度,使舰船在中横剖面处断裂,且气泡坍塌形成的射流还会引起结构局部毁伤,近年来气泡和水中结构物的相互作用已成为国际上研究热点。
为此,本文从水下爆炸气泡的基本现象入手,着重从理论分析、试验技术以及数值方法等方面阐述国内外该领域的研究进展及现状,回顾和讨论了水下爆炸气泡膨胀、坍塌、溃灭以及射流形成等重要动力学行为的研究进程及关键技术。
最后,在前人研究基础上提出了一些尚需进一步解决的问题,旨在为业界同行提供参考。
关键词:水下爆炸;气泡;动态特性;坍塌;射流中图分类号:U661.43文献标识码:AReview of the dynamics of the underwater explosion bubbleZHANG A-man1,3,WANG Yu2,WEN Xue-you3,NI Bao-yu1,YAO Xiong-liang1,HAN Yun-tao1(1School of Shipbuilding Engineering,Harbin Engineering University,Harbin150001,China;2Naval Research Center,Beijing100073,China;3Harbin in Marine Boiler and Turbine ResearchInstitute,Harbin150036,China)Abstract:Many researches show that underwater explosion can cause severe damage on warships.Shock wave in explosion only generates local damage on the warship;while the pulsating pressure and retarded flow resulted from bubble motion can induce total damage,endangering the total longitudinal strength and provoking the rupture in the midship section.Moreover,the jet formed in the bubble collapse phase will pro-duce the local damage of structure.Recently the interaction of bubble and underwater structure was the fo-cus of the international researches.Therefore,starting with the basic phenomenon of underwater explosion bubble,this paper mainly expounds the research development and present state in this field from theoreti-cal analysis,experimental technique and numerical methods,and reviews and discusses the research progress and key techniques of underwater explosion bubble dynamics such as expansion,collapse and jet formation.Finally,some problems needing further settlement are put forward on the basis of former research-es in order to offer consult for craft brothers.Key words:underwater explosion;bubble;dynamics;collapse;jet收稿日期:2009-05-12基金项目:国家自然科学基金(50779007);青年科学基金项目(50809018);国际科技合作项目(2007DFR80340);中国博士后科学基金特别资助(200801104);哈尔滨市科技创新专项基金(RC2008QN013001);上海交通大学海洋工程国家重点实验室研究基金资助项目(0804)作者简介:张阿漫(1981-),男,博士,哈尔滨工程大学船舶工程学院副教授。
声致发光原理
声致发光(Sound-induced luminescence)是指通过声波激发材料产生发光现象的原理。
声致发光的基本原理是:当超声波传播到物质中时,超声波会激发物质中的电子和离子发生运动,并产生局部的热量和电场变化。
这些电场变化会导致一些特定材料中的荧光分子或发光材料进行激发和发光。
具体来说,声致发光可以通过以下几个步骤来实现:
1. 声波激发:声波通过物质传播时会导致物质中的振动,从而激发其中的电子和离子发生运动。
2. 粒子激发:由于声波的作用,一些特定的材料中的荧光分子或发光材料会被激发到激发态。
3. 发射光子:处于激发态的荧光分子或发光材料会从激发态返回到基态,释放出能量,并以光子的形式发出光。
需要注意的是,声致发光一般发生在特定的材料中,如荧光分子、发光材料等。
这些材料具有一定的荧光或发光性能,能够在激发后发出可见光或其他特定波长的光。
对于一些特殊的材料,声波能够直接激发电子或离子的运动,从而间接激发发光的过程。
声致发光在实际应用中具有一定的研究和应用价值。
例如,可以通过控制声波的频率和振幅来改变发光材料的发光强度和颜
色,从而实现可调控的发光效果。
此外,声致发光还可以用于声波传感器、生物医学成像等领域。
惰性气体参数对声致发光的影响王德鑫;那仁满都拉【摘要】通过考虑Van der waals方程中不同气体的绝热指数和热扩散系数,计算了惰性气体参数对声致发光的影响.利用R-P方程,分别计算了He,Ar和Xe气泡在声致发光过程中的相对半径和最高温度.利用韧致辐射模型计算了相应惰性气体声致发光的光强.计算结果表明随着惰性气体分子量的增加,气泡内的最高温度和最大光强也随之增加.【期刊名称】《内蒙古民族大学学报(自然科学版)》【年(卷),期】2017(032)002【总页数】5页(P106-110)【关键词】惰性气体;声致发光;韧致辐射模型;气体状态方程【作者】王德鑫;那仁满都拉【作者单位】内蒙古民族大学物理与电子信息学院,内蒙古通辽028043;内蒙古民族大学物理与电子信息学院,内蒙古通辽028043【正文语种】中文【中图分类】O427.4液体在超声场的辐射下,由于负压的作用,液体所受到的拉力大于液体的表面张力,将液体“拉断”从而形成空穴.随着超声场的频率的变化,空穴扩大为气泡并伴随产生一系列的非线性震动.当气泡快速塌缩时,内部发生复杂的物理化学变化,并产生光辐射的现象就是声致发光〔1〕.从1990年Gaitan发现单泡声致发光的现象〔2〕以来,声致发光的研究就进入了一个新的时期.随后实验中发现在以氮气为声致发光的气体内混合1%的氩气,所产生的光强比纯氮气或氩气所产生的光强都要强〔3〕.而氩气的比例与氩气在空气中的比例是如此的一致(0.9%),将氩气换为氙气和氦气时所产生的结果也类似.基于这一实验现象,科学家们展开了对声致发光机制的探索.在研究声致发光的早期阶段,Putterman等人〔4〕认为黑体辐射是声致发光的主要的过程.但是Yasui〔5〕通过电子-原子韧致辐射和电子离子韧致辐射对声致发光气泡光强进行模拟,更准确的解释了声致发光实验中测得的数据.丁春峰〔6〕通过对不同惰性气体的声压阈值的实验研究,提出声致发光的机制可能是由一个分子辐射向韧致辐射变化的过程.安宇〔7〕对单原子和多原子的热力学性质进行了半定量的分析,通过考虑了热扩散、水蒸气扩散和化学反应改进了声致发光的均匀模型,并且在韧致辐射模型的基础上融合了电子对原子或分子的附着辐射〔8〕.虽然目前声致发光的机理还没有形成定论,但是Moss提出的的韧致辐射模型〔9〕被认为是声致发光的主要过程.本文通过考虑Van der waals方程中不同惰性气体的绝热指数和热扩散系数,并利用R-P方程和韧致辐射模型,将研究几种惰性气体参数对声致发光的影响.主要是比较由于He,Ar和Xe等惰性气体参数的不同而导致的气泡内温度和光强的变化.超声空化气泡壁的运动,可用经典的Rayleigh-Plesset方程来描述〔10〕式中 R、ρ和c分别是气泡壁的半径、液体的密度和溶液中的声速.Pg是气泡内的气体压强,Pa(t)=-Pasin(ω t)为驱动声压,P0为环境压强,σ、μ分别是液体的表面张力和液体剪切粘度.在声致发光模型中考虑惰性气体参数的影响,主要是从气泡内部的气体压强公式入手.目前主要有两种形式的van der waals方程,一种是式中a、b是van der waals常数,Rg是气体常数,T是声致发光气泡内的温度,v是气泡内部气体的摩尔体积为气泡内气体的总物质的量.这种van der waals方程的优势是可以通过对van der waals常数的计算,得到气泡内混合气体的压强.但是对于纯气体气泡由于考虑的因素较少,在声致发光的模拟计算中不常用到.另外一种是考虑了气体的van der waals硬核半径的方程,其具体形式为式中R0是气泡的初始半径,h是泡内气体的van der waals硬核半径,γ是泡内气体的多方指数.在大多数的数值模拟计算中,都将γ取为5/3(单原子气体的绝热指数Γ),也就是说当气泡壁运动的速率比通过气泡壁的热传导的时间尺度快,则塌缩几乎是绝热的.但是许多实验和理论分析〔7,10〕都表明,远离坍塌,由于热传导比气泡壁运动快,几乎没有热交换,所以可以将此时气泡的变化看成是等温的,此时γ=1.为了完整的将气泡内部气体的多方指数的这一性质表示出来,将.由瞬时Pelect数决定为气体的热扩散系数,包含气体的气体有效原子直径、气体温度和气体分子质量.此种van der waals方程可以分析气泡内不同气体的压强,计算简便,从理论上可以更好的解释气体压强变化的规律.其中κgas可表示为〔10〕其中ag、Rg、T和μg分别是气体有效原子直径、理想气体常数、气体温度和气体分子质量.G(g)是一个无量纲的密度函数,定义为其中(Na是阿伏伽德罗常数,vm是气体的摩尔分子体积).考虑到气泡壁上气体热扩散所导致的气泡内部的温度降低,气泡内部温度的表达式修正为〔12〕其中Tliq是无穷远处的液体温度.方程(6)与方程(1)一起给出了气泡半径和气泡内温度的计算模型.韧致辐射理论认为当气泡塌缩时,气泡内部的高温高压将气体分子电离成等离子体,等离子体中的自由电子的动能是连续分布的.由于电子韧致辐射的波长取决于自由电子的动能,因此产生的光谱必为连续谱〔9〕.该理论可以很好的解释说明目前实验上测得的单泡声致发光的谱线.通过文献〔5〕可知,韧致辐射模型为式中re、rr分别是从气泡中发射光子的速率,辐射复合率.PBr,ion表示电子—离子韧致辐射,PBr,atm表示电子—原子韧致辐射,rrhνˉ表示电子离子的复合辐射(h νˉ=3 2KT).在韧致辐射模型中将发光过程看成是由以上三种不同的辐射构成,并且假设除气泡壁的热边界层外气泡内部的压力和温度都是均匀分布.电子—离子和电子—原子轫致辐射模型为式中q、N和T分别是气泡的电离度、原子数密度和内部温度.电离度q满足其中εgas为气体的电离电位是玻尔兹曼常数.数值计算时所取的气泡初始半径为R0=5μm,声场频率f=20KHz,驱动声压Pa=1.3P0,,初始条件取为 R=R0,=0,T=T0.本文主要考虑He、Ar和Xe等三种惰性气体,计算相关的参数如表1所示.使用龙格库塔法对非线性方程(1)进行计算,非线性方程的数值解法在很多领域都有应用〔14〕.图1(a)、(b)、(c)分别为He、Ar和Xe三种惰性气体气泡在五个周期内的相对半径曲线;图1(d)、(e)、(f)为相对应的温度曲线;图1(g)、(h)、(i)是相对应的光强曲线.从图1(a)、(b)、(c)中可以看出,不同惰性气体参数在声致发光过程中对气泡相对半径的影响没有明显的差异.从图1(e)中可以看出当声致发光气泡内的气体为Ar气时,气泡内部的温度在10000K以上.文献〔15〕中报道的声致发光气泡内的温度为4500K,这是由于文献〔15〕中考虑气泡内水蒸气的蒸发和冷凝因素所导致.另外,气泡在快速塌缩的过程中气泡内外的物质交换也会相应的降低泡内气体的温度.从图1(g)、(h)、(i)中可以看出,随着惰性气体的分子量的增加,声致发光过程中所发出的光强也随之增加,这同样验证了实验中所得到的结论〔15〕.表2为He,Ar和Xe气泡在声致发光过程中的相对半径、最高温度和最大光强.从表2可以看出当气泡内的气体为He气的时候五个周期内声致发光的最高温度为3.730×103K,当气体为Xe气时最高温度增长到了1.279×104K.增长了9.06×103K,在文献〔16〕中通过计算K-M方程所得到的对应惰性气体气泡内温度增长量为1.23×104K.相应的光强变化从6.223×10-11W/m2到2.701×10-3W/ m2,增长了108个单位.由文献〔7〕可知,在高温高压的环境下,单原子分子比双原子分子更容易被电离成等离子体,并且Xe气比He气的电离电位低、分子数密度大,这也可能是惰性气体产生如此高光强的一种原因.在文献〔16〕中计算的光强增加的量和本文的结果是一致的.惰性气体对声致发光的影响一直都是非常重要的研究课题.本文在R-P方程的基础上,考虑了Van der waals方程中不同惰性气体的绝热指数和热扩散系数对声致发光的影响.通过选用韧致辐射模型,计算了惰性气体在声致发光过程中的光强.计算结果可以看出随着气泡内部惰性气体分子量的增加,声致发光的温度和光强也随之增加.本文研究结果对声致发光机理的探究有一定的理论意义.〔1〕Suslick S K.The chemical effects of ultrasound〔J〕.Scientific American,1989,260(2):80-86.〔2〕Gaitan D F,Crum L A,Church C C,et al.Sonoluminescence and bubble dynamics for a single stable cavitation bubble〔J〕.J Acoustics Soc Am,1992,91:3166-83.〔3〕B Barber,S Putterman.Observation of Synchronous Picosecond Sonoluminescence〔J〕.Nature,1991,352:318.〔4〕Hiller R,Putterman SJ,Barber BP.Spectrum of synchronous picosecond sonoluminescence〔J〕.Phys Rev Lett,1992,69: 1182-1184.〔5〕Yasui K.Mechanism of single-bubble sonoluminescence〔J〕.Phys Rev E,1999,60:1754-1758.〔6〕丁春峰,刑达.含有不同惰性气体的气泡的声致发光的声压阈值〔J〕.中国科学G辑:物理学力学天文学,2004,34(3):257-264.〔7〕安宇,周铁英.声致发光气泡内的气体热力学性质〔J〕.声学学报,2000,25(2):103-107.〔8〕李朝晖,安宇.声致发光的计算〔J〕.中国科学G辑:物理学力学天文学,2009,39(2):167-174.〔9〕Moss WC,Clarke DB,Young,DA.Calculated pulse widths and spectra of a single sonoluminescing bubble〔J〕.Science.1997,276:1398-1401. 〔10〕Brenner M P,Hilgenfeldt S,Lohse D.Single-bubble sonoluminescence 〔J〕.Rev Mod Phys,2002,74(2):425-477.〔11〕张翠英,陈巴特,等.对声致发光单气泡半径计算〔J〕.内蒙古民族大学学报:自然科学版,2011,26(1):10-13.〔12〕Hilgenfeldt S,Grossmann S,Lohse D.Sonoluminescence Light Emission〔J〕.Phys Fluids,1999b,11:1318-1330.〔13〕William B M,Yuri T D,K S.Suslick.Sonoluminescence temperatures during multi-bubble cavitation〔J〕.Nature,1999,401(6755):772-775. 〔14〕张盼盼,任正杰.一类非线性R-L分数阶积分微分方程的数值解法〔J〕.河北科技师范学院学报,2015,29(2):47-51.〔15〕Yasui K.Bubble dynamics and sonoluminescence from helium or xenon in mercury and water〔J〕.Phys Rev E,2012,86: 036320.〔16〕Gheshlaghi M.Role of the gas solution on the parameters of single sonoluminescence〔J〕.Extensive Journal of Applied Sciences,2015,3(7):257-264.。
硫酸中多气泡声致发光光谱安宇【摘要】非线性声波方程与气泡脉动方程联立,可以描述声空化云中的声场以及任何一个气泡的脉动过程,为数值计算空化场问题提供了理论框架.计算的声压分布变化可以用来计算单气泡动力学,了解任何位置处气泡发光过程以及气泡内气体温度和压强变化等.对浓硫酸中氩气泡空化云的计算定性符合实验观测,只有钠原子线谱的计算结果相比实验观测有些出入.【期刊名称】《应用声学》【年(卷),期】2013(032)003【总页数】7页(P205-211)【关键词】声致发光光谱;高温气体发光;气泡动力学;空化气泡云【作者】安宇【作者单位】清华大学物理系北京 100084【正文语种】中文【中图分类】O426.41 引言自从单气泡声致发光发现以来[1],经过 20多年的研究,关于声空化气泡的发光机理逐渐开始明朗[2-3]。
事实上,无论是单气泡还是多气泡空化发光都是气泡内气体被周围液体迅速压缩达到高温高压状态而发光[4]。
通常空化气泡发光瞬间,高压达到几千甚至几万个大气压,温度达到万度量级。
在这种极端条件下,我们虽然定性地了解气体会发生什么样的物理化学变化,发光机理大致应该是什么,但对于实验观测结果还不能定量的做出全面解释。
这说明我们关于声空化发光现象还没有达到很全面的认识。
除了发光,声空化现象还包含其它很丰富的内容,我们都是处于比较模糊的认识阶段。
比如,声空化阈值问题,声波在空化气泡云中传播问题,空化气泡之间相互作用问题,空化气泡周围声场的混沌特性,等等。
这些问题的认识与气泡发光密切相关。
我们通过观察和分析气泡发光特性,可以了解气泡内部达到的极端环境,根据气泡动力学,又可以把这些信息与空化气泡云的声场特性相联系。
所以,声空化气泡发光的研究,与声空化声场的研究密切相关,相辅相成。
声空化声场强度的分布情况比较复杂,单纯通过实验摸索,很难对其达到透彻的了解。
目前,声空化效应的应用虽然非常普遍,但都是局限于比较小的规模,难以推广到大规模的工业生产,究其原因是对声空化声场的了解不够。
光化学分析思考题部分答案1.名词解释振动弛豫: 分子通过无辐射跃迁而达到相应激发态的最低振动能级上,这一过程称振动弛豫。
内转换:分子不发射辐射而回到低能量状态的分子内过程。
外转换:在激发态去活过程中,分子与溶剂或其他溶质间相互作用促使能量转换的过程。
系间跨越:在不同多重态之间的无辐射跃迁。
磷光发射: 当受激分子降至S1的最低振动能级后,如果经系间窜越至T1态,并经T1态的最低振动能级回到S0态的各振动能级,此过程称磷光发射。
重原子效应:(答案一)溶液中若有重原子的分子或离子,如溴化物、碘化物等容易发生系间窜越,这种分子中由于重原子存在导致容易发生系间跃迁的效应,称重原子效应。
(答案二)磷光测定体系中(待测分子内或加入含有重原子的试剂)有原子序数较大的原子存在时,由于重原子的高核电荷引起或增强了溶质分子的自旋-轨道耦合作用,从而增大了S0→T1吸收跃迁和S1→T1体系间窜跃的几率,即增加了T1态粒子的布居数,有利于磷光的产生和增大磷光的量子产率。
这种作用称为重原子效应。
Stokes 荧光:所发射光辐射频率比所吸收光辐射的频率低的荧光称Stokes荧光。
共振荧光:自由原子吸收激发光源的特征波长辐射,成为激发态原子,并立即发射出相同波长的辐射,回到原来的能级,所发辐射为共振荧光。
拉曼散射:分子吸收了频率较低的光能而上升到基态中较高的能级之后,返回到稍高(低)于原来的能级时产生的散射光为拉曼散射。
荧光寿命:当激发光切断后荧光强度衰减至原强度的1/e 所经历的时间,表示荧光分子S1激发态平均寿命。
内源荧光:利用物质自身发射的荧光。
荧光探针:是一些生荧团,加入到被分析的物质上,可使具有微弱的自身荧光或不具有荧光的分子具有较强的荧光。
光子爆发:一个分子被反复激发发射出大量光子的过程称光子爆发。
量子跳跃现象:量子理论中,粒子有可能在有限机率下发生“穿隧效应”(Tunneleffect)或称“量子跳跃”(Quantumleap),因而穿透不可渗透的障碍物。
声致发光现象(Sonoluminescence)是一种在液体中的小气泡内产生微小闪光的现象,而核聚变是一种核反应过程,其中轻元素的原子核融合形成较重元素,释放出巨大能量。
尽管这两个现象在物理学上是不同的,但有研究表明声致发光可能涉及到微小尺度的核聚变反应。
在声致发光现象中,通常会在液体中产生微小的气泡,并通过声波使气泡周期性地收缩和膨胀。
这个过程会导致气泡内部产生高压和高温的微小区域,这种条件可能会引发气体内部的电子或离子化反应,从而产生微小的光闪烁。
这些光闪烁被称为声致发光。
有一些研究提出,声致发光现象可能与微小尺度的核聚变反应有关。
一些实验结果表明,在气泡内部的极端条件下,可能发生氢原子核的聚变反应。
然而,这些微小尺度的核反应与大尺度的核聚变反应(如在太阳中发生的反应)是不同的。
需要强调的是,声致发光现象的研究还在不断发展中,对于其中可能涉及的核反应仍存在许多争议和不确定性。
因此,尽管存在一些与核反应有关的假设,但目前尚没有确凿的证据表明声致发光现象与传统的大尺度核聚变反应之间有直接的关联。
声学英文词彙声音,声学及其分支声音:sound可听声(阈):audible sound超声:ultrasound次声:infrasound水声:underwater sound地声:underground sound噪声:noise声学:Acoustics物理声学:Physical Acoustics;非线性声学:Nonlinear Acoustics超声学:Ultrasonics;次声学:Infrasonics;水声学:Underwater Acoustics 气动声学:Aeroacoustics建筑声学:Architectural Acoustics;室內声学:Room Acoustics音乐声学:Musical Acoustics环境声学:Environmental Acoustics海洋声学:Oceanic Acoustics电声学:Electroacoustics语言声学:Speech Acoustics;语音信号处理:Speech Processing声信号处理:Acoustical Signal Processing光声学:Optoacoustics医学超声学:Medical Ultrasonics生物声学:Bioacoustics声化学:Sonochemistry生理声学:Physiological Acoustics;心理声学:Phsychoacoustics振动振动:vibration受迫振动:forced vibration阻尼振动弹性:elasticity劲度:stiffness;弹性常数:stiffness constant恢复力:restoration;张力:tension惯性,声质量:inertance力(机械)阻抗(阻,順,抗):mechanical impedance (resistance, compliance, reactance)力导纳(导,納):mechanical admittance, mobility (responsiveness, excitability)集总线路元件:lumped circuit elements共振:resonance;反共振:antiresonance参量共振:parametric resonance共鸣器,共振器:resonator亥姆霍茲共鸣器:Helmholtz resonator振子:oscillator激振器:vibrator隔振:isolation(阻抗型,导纳型)类比:(impedance-type, mobility-type) analogy摩擦(力):friction (force)阻尼(系数):damping (coefficient)衰变:decay谐波:harmonics,谐和:harmony基频:fundamental frequency固有(特征,本征)频率:natural (characteristic, eigen-) frequency简正频率(方式、模式):normal frequency (mode)波节:node;波腹:antinode, loop音:tone;泛音:overtone;音调:pitch;音色:timbre声媒质及其性质媒质、介质:medium可压缩的:compressible;不可压缩的:incompressible压缩率,压缩系数:compressibility可相融的,不相融的:miscible,immiscible绝热的:adiabatic;等温的:isothermal体(剪切)弹性系数,体(切)弹性模量:bulk (shear) modulus热传导(率):thermal conduction (conductivity)(容变)粘性:(bulk) viscousity(切变、容变)粘滞系数:viscous coefficient, coefficient of (shear, bulk) viscosity 无黏(流体):inviscid (fluid)声速:sound speed频散:dispersion吸收(损失):absorption (loss);吸收系数:absorptivity, absorption coefficient耗散(损失):dissipation (loss)非均匀性:inhomogeneity多孔介质:porous media穿孔:peforation穿孔板:perforated plate穿孔比:ratio of perforation孔隙率:porosity声边界层(厚度)、趋肤深度:acoustic boundary layer (thickness),skin depth 叠加原理波数声波及传播声波:sound waves, acoustic waves机械(水,重力,声重力)波:mechanical (water, gravity, acoustic-gravity) waves 传播:propagation;纵(横)波:longitudinal (transverse) waves行(驻)波:traveling (standing) waves平面(柱面,球面)波:plane (spherical, cylindrical) waves表面(瑞利,漸失)波:surface (Rayleigh, evanescent) waves压缩(体)波:compressional (bulk) waves声压缩切变(弯曲)波:shear (flexural, bending) waves(切)应变:(shear) strain(切)应力:(shear) stress波导:duct, waveguide;声管:pipe, tube导波:guided waves相(群)速度:phase (group) velocity质点(体积)速度:particle (volume) velocity声压(级):sound pressure (level)声强(级):sound intensity (level)声功率(级):sound power (level)响度(级):loudness (level)响亮(度):sonority分贝:decibel (dB)倍频程:octave声阻抗(阻,順,容,抗):acoustic impedance (resistance, compliance, capacitance, reactance);声质量:acoustic mass, acoustic inertance;声导纳(导,納):acoustic admittance, mobility (conductance, susceptance)声阻(抗,阻抗)率:specific acoustic resistance (reactance, impedance)声特性阻抗:acoustic characteristic impedance;法向声阻抗率:specific normal acoustic impedance声导率:acoustical conductivity转移阻抗:transfer impedance阻抗匹配:impedance matching声传输线:acoustic transmission line波前,波阵面:wavefront正(斜,掠)入射:normal (oblique, grazing) incidence反射(系数):reflection (coefficient)透射(系数):transmission (coefficient)传输损失,隔声量:transmission loss质量作用定律:mass law折射:refraction;衍射:diffraction;干涉:interference 回响、回声:echo衰減(系数):attenuation (coefficient)驻波standing wave行波travelling wave声聚焦平面波球面波品质因数qualityfactor涡旋:votex, 涡度:vorticity湍流:turbulence,层流:laminar flow绕射斯奈尔定律波矢量全反射辐射,散射声源:sound source;源强:source strength点源:point source单极子:monopole;偶极子:dipole四极子:quadrupole活塞:piston像源:image source声场:sound field, acoustic field近(远)场:near (far) field声辐射(阻抗):acoustic radiation (impedance)声发射:acoustic emission散射(截面,损失):scattering (cross-section, loss)背向散射:backscattering互易性(原理):reciprocity指向性:directivity传声器指向性直达声:direct sound回声:echo混响:reverberate(动词),reverberation(名词)非线性振动与声冲击波:shock waves声孤立波:acoustic solitary waves;声孤子:acoustic solitons声马赫数:acoustic Mach number分岔:bifurcation;混沌:chaos次谐波(共振):subharmonics (resonance)声辐射压(力):acoustic radiation pressure (force)声效应空化:cavitation声致发光:sonoluminescence声化学:sonochemistry声悬浮:acoustic levitation气泡共振:bubble resonance声材料与控制吸声材料(器):sound absorbent (absorber)消声器:sound damper声障:sound baffle, sound barrier隔声:sound insulation, soundproof隔声罩:acoustical enclosure声屏蔽:acoustic shielding隔声板:acoustic septum消声室:anechoic chamber消声器:muffler, silencer声扩散体:sound diffuser穿孔:perforation;穿孔板:perforated panel室内声学平均自由程换能,仪器设计,测量压电效应:piezoelectricity扬声器:louderspeaker;喇叭:horn话筒,扩音器,麦克风:microphone话筒,扩音器:megaphone听力计:sonometer换能器:transducer水听器:hydrophone声吶:sonar插入损失:insertion loss灵敏度:sensitivity声全息:acoustical holography声探测:sounding声定位:sound localization语图、声谱仪:sonogram, sonograph, echogram 超声扫描术:sonography声测井:sonolog。
从声致发光看“常温核聚变”核聚变一定联系着高温等离子体吗?2002年3月8日“科学”发表了声致发光的最新成果[1]。
它引发了一系列科学的争论。
因为在氘代丙酮中发现了氚和中子辐射。
在多数人心目中,氘的核聚变必然与高温等离子体相联系。
因此,总想找到一种模型来计算声致发光中产生高温的机理。
可是,认真的计算却得不到相应的高温,甚至越算越低。
从最初的100万度,变成了几万度,甚至不到1万度。
何况,这还是假定了完全球对称的压缩。
中国科学院声学研究所早在六十年代的实验[2]却显示,即使声波在水中形成了非球形的空泡,照样能看到声致发光,甚至比现在球对称的单泡声致发光还要亮。
人们不禁要问:难道声致发光真是由声波压缩所造成的高温而引起的吗?难道声致发光中的核产物必定是由高温等离子体所带来的吗?核聚变中核物理─选择性共振隧穿模型太阳上的核聚变和氢弹中的核聚变使人们产生了一个错觉:以为核聚变一定要在高温下进行,以为是高温等离子体中的动能克服了静电斥力的位能才导致两个带正电的原子核的融合(聚变)。
其实,氘-氚之间的静电(库仑)位垒高达200keV以上,而1亿度高温等离子体中的动能也不过是10keV。
真正造成聚变反应大量发生的原因是“共振”,而不是“高温”。
当氘-氚之间相对运动的动能接近於发生“共振”所必须的能量时,“共振”机制就会使聚变反应大量发生。
为什麽“共振”有这麽大的威力呢?其实,我们的收音机就正是靠“共振”的威力来接收微弱信号的。
当远地电台的电磁波与收音机中调谐回路发生共振时,电磁波的信号就会越振越强,就好像荡秋千的小孩会越荡越高一样。
只要小孩使劲得当,哪怕每次只使上一点儿劲,秋千就一定会越荡越高。
同样道理“共振”机制也会使聚变反应大量发生,这是因为“共振”机制会使氘核的波在氚核内越振越强,从而使氘-氚聚变反应大量发生。
哪怕静电(库仑)位垒挡住了大部分氘波,靠着“共振”机制,氘波还会越振越强。
这样一种“共振”机制已被多数科学家接受,并以为只要选对了能量,“共振”机制就会起作用。
往往被忽视的却是“阻尼”在“共振”中的作用。
通常以为“共振”只会选择频率,而“阻尼”是越小越好。
其实,这又是一种错觉。
当我们在调谐收音机时,的确是在调频率,不同的频率对应于不同的电台。
“阻尼”是不用调的。
人们总以为“阻尼”大了,不利于“共振”;却没有想到“阻尼”小了,反而不利于观察“共振”。
设想一下,如果“阻尼”真的完全为零,虽然“共振”可以达到最佳,却是根本听不到播音。
因为要想听到“共振”,就必须从“共振”中提取能量(信号)。
这种提取本身就是一种“阻尼”。
同样的道理,氘核波函数在氚核内发生聚变时,氘核的波就消失了,这就是“阻尼”。
如果“阻尼”完全为零,这就意味着氘-氚永远不会聚变,那么,即使“共振”可以达到最佳,我们却观察不到一点聚变的产物。
因此,可以猜测:必定存在一个不大不小的最佳“阻尼”,使观察到的“共振”效应最强(聚变反应产物最多)。
换言之,“共振”不仅会选出一定的频率,还会选出一定的“阻尼”。
也就是说“共振”引发的聚变反应还会选出一定的聚变反应率。
聚变反应率太大或太小都不行。
正是这样一种“共振”的选择性决定了:常温核聚变中不会有中子和伽马辐射!因为产生中子和伽马辐射的反应道属于强相互作用和电磁相互作用,这些相互作用都比较快,也就是说属于比较强的“阻尼”。
强阻尼会削弱共振的效应。
常温下入射氘核的能量很低,氘核遇到的库仑位垒又高又厚,氘波透过库仑位垒后变得很微弱。
要想靠“共振”来增强氘波,就必须让氘核在有足够时间来回振荡。
就像小孩荡秋千一样,小孩的力量越微弱,就必须有更多一点时间来回蹬秋千。
“阻尼”太强,氘波过快消失,就振荡不起来,就看不到聚变反应。
所以常温核聚变中不应该看到中子和伽马辐射,而应该看到比较慢的相互作用(如b衰变或k俘获等弱相互作用)。
选择性共振隧穿模型的第一次检验——滞后发热和三氘反应选“阻尼”这一想法,固然能说明“常温核聚变”中总也测不到中子这一已有的实验结果。
但是,能不能预测一些实验结果呢?设想一下,如果一个氘核在穿透库仑位垒后能够与另一个氘核生成一个长寿命的复合态,那时,如果再有一个氘核入射,就会看到三个氘核聚变的产物。
由于两个氘的复合态寿命的长短直接决定了三氘反应的产额,而两氘复合态的寿命又能从“常温核聚变”的其他实验中测定。
这样,就有可能从实验上来检验选择性共振隧穿模型。
早在1993年Pons 和Fleischmann就公开了一个重要的实验结果,他们称之为“滞后发热”(Heat after Death)[3]。
在他们电解重水的实验中,曾经观察到电解液因沸腾而蒸干,这时,电解电流为零,完全没有电功率输入,可是电解池却继续维持在摄氏100度,时间可长达三小时之久。
估算表明:即使钯阴极内已吸入的氘气完全燃烧所放出的化学热,至多也只能维持几分钟。
因此,可以认为在钯阴极内存在着一种长寿命的核反应态,此态的寿命就是三小时左右。
假如,在电解重水的实验中,确实在钯阴极内发生了“共振隧穿”,并生成了氘-氘复合态,那么由“共振隧穿”所选择的“阻尼”就决定了氘-氘复合态的寿命是三小时左右。
凑巧的是日本大阪大学的Takahashi教授在实验中确实观察到了三氘核反应的产物:等量的氚和氦-3(能量都是4.75MeV)[4]。
他用钛吸入了大量的氘作为靶,再用150keV的氘束去轰击,主要的产物当然还是氘-氘二体反应的产物(中子,质子,氚(1.01MeV)和氦-3(0.82MeV))。
然而,偶尔也会有三体核反应的产物,但是,这种机会是微乎其微,大概每10^30对氘-氘二体反应才会有一次机会发生三体核反应。
这是因为通常两个氘核在一起,经过10^-21秒就会发生核反应,寿命非常短,几乎没有机会看到第三个飞来的氘核。
可是大阪大学的实验中将钛靶冷却以防止氘束轰击发热,这时却发现大约每10^5 对氘-氘二体反应就会有一次三体核反应,这相当于两个氘核在一起的寿命要长得多,才有机会产生这麽多的三体反应(长了约10^25倍,因为10^30/10^5=10^25)。
因此,相应的寿命为10^4秒(10^25*10^-21秒=10^4秒),这正好与“滞后发热”所要求的氘-氘复合态的寿命(3小时)一致。
选择性共振隧穿模型的又一次检验—氘-氚热核聚变截面从共振隧穿的观点来看,常温聚变与热核聚变都有赖于共振隧穿。
差别只在于入射能量的高低。
入射能量低,对应的库仑位垒高,共振隧穿选出的反应道是反应速率很慢的反应道,也就是不发出中子和伽马辐射的反应道;入射能量高,对应的库仑位垒低,共振隧穿选出的反应道是反应速率较快的反应道,也就是能发出中子和伽马辐射的反应道。
从理论计算上应该是同一个模型。
应该可以用实验加以检验。
在氘-氚热核聚变反应中有一个著名的110keV共振峰,能不能用共振隧穿模型正确地算出氘-氚热核聚变反应截面就是对选择性共振隧穿模型的又一次检验。
检验的结果竟是出乎意料的好[5]。
它表现为下列四个方面。
(1)选择性共振隧穿模型的计算值与8keV-280keV内17个实验数据点相比较,误差小于4%,而实验数据的误差本身是1.5%。
(2)美国Los Alamos 国家实验室的G.Hale曾将全世界的2600个有关的实验数据点整理成著名的ENDF/B-VI数据表供全世界使用[6]。
他采用核反应的R-矩阵理论,用108个参数拟合。
然后,将实验数据向低能外推到200eV. 居然与选择性共振隧穿模型的计算值仍然符合良好,误差仍在4%以内。
(3)美国海军研究实验室曾经编辑过一本手册(NRL Handbook),其中对氘-氚热核聚变反应截面数据给出一个经验公式[7]。
被热核聚变界广泛应用了28年。
它包含了五个经验参数,可是它算出的氘-氚热核聚变反应截面在200eV处竟比G.Hale的数值小了100倍。
而选择性共振隧穿模型只包含两个参数,却符合得很好。
(4)美国Brookhaven国家实验室曾在1996年发表了一整套氘-氚热核聚变反应截面数据,其中在100eV处出了一个大错[8]。
居然在100eV处出现了又一个共振峰。
如果这个数据是对的,那麽全世界现有的热核聚变实验装置上早就应该实现聚变能源得失相当的目标了。
没想到,竟是我们用共振隧穿模型指出了这个错。
因为共振隧穿模型预言了100eV处的共振行为。
1999年在我们指出这个错误后一周内,Brookhaven国家实验室国家核数据中心作出了纠正。
决定性的检验─测量中微子经过十三年的探索,“常温核聚变”中观察到的现象比1989年所知道的要丰富得多。
特别是氚。
1989年世界闻名的电化学教授Bockris就已报道在电解重水时测到了氚,哪怕争议激烈,他仍坚持己见[9]。
1989年美国能源部专家组的蓝皮报告中没有判“死刑”,就是因为专家组两组长之一Ramsey(Nobel奖获得者)坚持对氚不宜过早下结论[10]。
1990年美国冷聚变研究所被迫关闭。
可是所长,Will,在该所关闭一年后出席第二届国际冷聚变会议时认真地介绍了该所测氚的成果。
他们在重水电解和氘气放电中都测到了氚(在钯阴极中)[11]。
此后,美国Los Alamos国家实验室的Claytor用更精密的测量证明:钯针尖作阴极在氘气中放电时会产氚[12]。
此后,Stringham发现超声波能使重水中的钯产氚[13]。
2001年加拿大McMaster大学的Clarke以精湛的质谱技术确认Arata 的复合阴极中的钯黑,在电解重水后有氚产生[14]。
在此期间,俄罗斯的Romodanov也一再宣称,在氘气放电中会有氚产生[15]。
因此,这次美国橡树岭国家实验室在声致发光中测到了氚,对于“常温核聚变”研究多年的人来说,并不新奇。
问题在于从选择性共振隧穿模型来看,氚又意味着什麽?设想一下,如果氚并不是来自热聚变,而来自共振隧穿。
那么,质子与氘的共振隧穿是一种可能的反应。
质子来源于空气中的轻水,因为重水有很强的吸水性。
质子隧穿库仑位垒后,可以发生beta正衰变,质子放出正电子后与氘结合生成氚。
计算表明,此反应速率仍太快,“阻尼”太强。
实验中并没有看到正电子所对应的伽马射线,也说明产氚不是靠的beta正衰变。
但另外还有一个更慢的反应道,那就是K电子俘获。
产物是氚和中微子。
测量中微子可以再次证明:选择性共振隧穿确实选出了较慢的弱相互作用的反应道。
但是,测量中微子要求很高的投入,还必须借助于国际合作。
可是,这一实验的重要性难道不足以激励我们试一试吗?!诺贝尔获奖者,Schwinger,的遗言一辈子培养了70名博士(其中出了三名诺贝尔获奖者)的Schwinger 没能出席1993年的冷聚变国际会议就去世了。
留下一篇发言稿:“我的研究历程:冷聚变理论”[16]。