聲致發(fā)光法測量超聲空化場的實驗研究.pdf

1、隨著科學技術的發(fā)展，超聲技術在眾多領域得到廣泛的應用，除功率超聲、水聲、超聲檢測、醫(yī)學超聲等經典超聲學科外，超聲清洗、超聲化學、超聲生物學等聲學邊緣學科也迅速發(fā)展，在這些領域內不斷有新的成果出現(xiàn)。在這些應用中，超聲空化是引發(fā)各種物理、化學和生物效應的主要機理，從而空化現(xiàn)象的理論和實驗研究也成為人們關注的焦點?？栈F(xiàn)象的產生受多種因素的影響，而且產生空化效應后的聲傳播出現(xiàn)復雜的非線性現(xiàn)象，這為空化效應理論研究帶來許多不確定因素，從而使空化

2、效應的理論研究進展緩慢，對空化效應的研究主要存在于實驗和應用的研究。 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，會產生發(fā)光現(xiàn)象，稱為聲致發(fā)光。聲致發(fā)光中氣泡的運動將低能量密度的聲能轉化成高能量密度的光能。為了研究這個巨大的能量聚集的復雜原理，研究者對聲致發(fā)光的氣泡動力學及發(fā)光機理不斷進行探索，使聲致發(fā)光現(xiàn)象成為非線性聲學和物理學研究的一個熱點。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，由德國科隆大學的H．Frenzel和H．Schultes研究聲納時偶然觀察到，空化時除了氣泡爆裂聲，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，密西西比大學的D．F.Gaitan做博士論文時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，也就是“單氣泡聲致發(fā)光現(xiàn)象”。 本文從理論和實驗兩個方面對聲致發(fā)光進行研究，主要包括以下四部分內容及結果： (1

4、)根據(jù)魯米諾增強聲致發(fā)光原理，用攝像機拍攝到空化氣泡的運動全過程。 (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的聲致發(fā)光強度進行測量。分別作用22kHz、27kHz和40kHz的超聲波，改變電功率密度值對應得到聲致發(fā)光強度的變化情況，結果表明：輸入電功率密度只有超過聲致發(fā)光閾值時，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)光強度隨電功率密度的增大類似直線型增大

5、，但沒有達到飽和值；在27kHz換能器輻射下，發(fā)光強度隨電功率密度的增大類似階梯型增大，最后達到飽和值；在40kHz換能器輻射下，發(fā)光強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)在實驗和理論上分析超聲作用頻率對聲致發(fā)光強度的影響。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。由于聲信號在一個振動周期內就能產生一次發(fā)光，所以單位時間內，不同頻率的超聲產生的發(fā)光次數(shù)也不同。因此，即使是