聲致發(fā)光法測量超聲空化場的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，超聲技術(shù)在眾多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，除功率超聲、水聲、超聲檢測、醫(yī)學(xué)超聲等經(jīng)典超聲學(xué)科外，超聲清洗、超聲化學(xué)、超聲生物學(xué)等聲學(xué)邊緣學(xué)科也迅速發(fā)展，在這些領(lǐng)域內(nèi)不斷有新的成果出現(xiàn)。在這些應(yīng)用中，超聲空化是引發(fā)各種物理、化學(xué)和生物效應(yīng)的主要機(jī)理，從而空化現(xiàn)象的理論和實(shí)驗(yàn)研究也成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)?？栈F(xiàn)象的產(chǎn)生受多種因素的影響，而且產(chǎn)生空化效應(yīng)后的聲傳播出現(xiàn)復(fù)雜的非線性現(xiàn)象，這為空化效應(yīng)理論研究帶來許多不確定因素，從而使空化

2、效應(yīng)的理論研究進(jìn)展緩慢，對空化效應(yīng)的研究主要存在于實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用的研究。 在超聲空化場中，液體中的空化氣泡，隨著聲場變化而膨脹和收縮，將聲能高度集中，會產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象，稱為聲致發(fā)光。聲致發(fā)光中氣泡的運(yùn)動(dòng)將低能量密度的聲能轉(zhuǎn)化成高能量密度的光能。為了研究這個(gè)巨大的能量聚集的復(fù)雜原理，研究者對聲致發(fā)光的氣泡動(dòng)力學(xué)及發(fā)光機(jī)理不斷進(jìn)行探索，使聲致發(fā)光現(xiàn)象成為非線性聲學(xué)和物理學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。聲致發(fā)光現(xiàn)象按照氣泡的數(shù)目分為多泡聲致發(fā)光和單泡聲致

3、發(fā)光兩種類型。在1934年，由德國科隆大學(xué)的H．Frenzel和H．Schultes研究聲納時(shí)偶然觀察到，空化時(shí)除了氣泡爆裂聲，往往還伴隨著肉眼可見的發(fā)光，一般把它稱為“多氣泡聲致發(fā)光現(xiàn)象”；在1990年，密西西比大學(xué)的D．F.Gaitan做博士論文時(shí)將單氣泡成功陷在盛有水的燒瓶中心并使其穩(wěn)定持續(xù)地發(fā)光數(shù)小時(shí)，也就是“單氣泡聲致發(fā)光現(xiàn)象”。 本文從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面對聲致發(fā)光進(jìn)行研究，主要包括以下四部分內(nèi)容及結(jié)果： (1

4、)根據(jù)魯米諾增強(qiáng)聲致發(fā)光原理，用攝像機(jī)拍攝到空化氣泡的運(yùn)動(dòng)全過程。 (2)自制了微光測量儀，分析儀器各部分電路的組成和功能。 (3)用微光測量儀對超聲清洗槽內(nèi)的聲致發(fā)光強(qiáng)度進(jìn)行測量。分別作用22kHz、27kHz和40kHz的超聲波，改變電功率密度值對應(yīng)得到聲致發(fā)光強(qiáng)度的變化情況，結(jié)果表明：輸入電功率密度只有超過聲致發(fā)光閾值時(shí)，液體中才會出現(xiàn)聲致發(fā)光現(xiàn)象。在22kHz換能器輻射下，發(fā)光強(qiáng)度隨電功率密度的增大類似直線型增大

5、，但沒有達(dá)到飽和值；在27kHz換能器輻射下，發(fā)光強(qiáng)度隨電功率密度的增大類似階梯型增大，最后達(dá)到飽和值；在40kHz換能器輻射下，發(fā)光強(qiáng)度隨電功率密度的增大出現(xiàn)起伏，過程中出現(xiàn)兩次飽和值。 (4)在實(shí)驗(yàn)和理論上分析超聲作用頻率對聲致發(fā)光強(qiáng)度的影響。超聲的頻率不同，其聲致發(fā)光的閾值也不同，頻率越高，聲致發(fā)光的閾值也隨之升高。由于聲信號在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)就能產(chǎn)生一次發(fā)光，所以單位時(shí)間內(nèi)，不同頻率的超聲產(chǎn)生的發(fā)光次數(shù)也不同。因此，即使是