超声波声孔效应中气泡动力学的研究
声波气泡共振实验报告
摘要：本实验旨在探究声波与气泡共振现象，通过观察气泡在不同频率声波作用下的振动情况，分析共振频率对气泡振动的影响，并验证声波能量传递的原理。
实验结果表明，当声波频率与气泡固有频率相匹配时，气泡振动幅度达到最大，验证了共振现象的存在。
一、实验目的：1. 研究声波与气泡共振现象，分析共振频率对气泡振动的影响。
2. 验证声波能量传递的原理，探究声波与气泡相互作用的关系。
3. 掌握实验仪器操作，提高实验技能。
二、实验原理：共振现象是指当外力频率与系统的固有频率相匹配时，系统振动幅度显著增大的现象。
在声波与气泡相互作用的过程中，当声波频率与气泡固有频率相匹配时，气泡振动幅度达到最大，声波能量在气泡中有效传递。
三、实验仪器与材料：1. 气泡发生器2. 超声波发生器3. 频率计4. 激光测距仪5. 气泡计数器6. 水箱7. 水泵8. 计算机及数据采集软件四、实验步骤：1. 将气泡发生器连接到超声波发生器，调节超声波发生器输出频率。
2. 将水箱置于气泡发生器上方，开启水泵，使水箱内水位保持稳定。
3. 在水箱内加入一定数量的气泡，并使用气泡计数器记录气泡数量。
4. 使用激光测距仪测量气泡距离水面高度，记录数据。
5. 调节超声波发生器输出频率，分别进行不同频率的声波作用实验。
6. 观察气泡在不同频率声波作用下的振动情况，记录气泡振动幅度。
7. 使用计算机及数据采集软件处理实验数据，分析共振频率对气泡振动的影响。
五、实验结果与分析：1. 在实验过程中，观察到气泡在不同频率声波作用下的振动情况。
当声波频率与气泡固有频率相匹配时，气泡振动幅度达到最大，验证了共振现象的存在。
2. 通过实验数据分析，发现共振频率与气泡固有频率存在一定的关系。
当声波频率逐渐接近气泡固有频率时，气泡振动幅度逐渐增大；当声波频率等于气泡固有频率时，气泡振动幅度达到最大；当声波频率继续增大时，气泡振动幅度逐渐减小。
3. 实验结果还表明，声波能量在气泡中有效传递。
基于连续超声波测量气泡参数的实验研究
能源研究与信息 Energy Research and Information
Vol.35 No.4 2019
文章编号：1008 − 8857(2019)04 − 0227 − 07
DOI: 10.13259/ki.eri.2019.04.008
基于连续超声波测量气泡参数的实验研究
Keywords：ultrasound; acoustic resistance; continuous wave; bubbles; counting
气泡的运动是气液两相流研究中的一个基本 问题，在很多实验和工程问题中起着重要作用， 尤其是油中和水中的气泡［1］。在电力系统中有许 多机械传动部件浸泡在润滑油中，若润滑油中存 在气泡会使油膜破裂，致使摩擦面发生烧结或增 加磨损，并促使润滑油氧化变质。同样，沸腾换 热是一种高效的换热方式，可通过测量气泡的脱 离直径、脱离频率以及加热表面的汽化核心密度 研究池沸腾换热的传热机理［2］。因此，气泡状态 参数与操作条件、液体性质、气体产生方式等有 密切关系，其实时测量对于相关工业过程具有重 要意义［3］。
Abstract：A method based on acoustic resistance has been proposed to simultaneously measure the size, number and speed of the millimeter-sized bubbles in the liquid. When the ultrasonic waves propagated in the liquid which contained the bubbles, great difference of acoustic impedance between the bubbles and liquid made strong reflection/scattering occur on the bubble surface. Some of ultrasound couldn't pass and thus attenuated ultrasonic signal would be received. A transmitted ultrasonic wave with frequency of 200 kHz was chosen to measure the bubbles in the lubricating oil. In these experiments, the bubbles, whose size and speed were lied in the range from 2 to 6 mm and from 0.10 to 0.30 m·s−1 respectively, passed the measurement zone with frequency from 5 to 10 Hz. The relationship between waveform amplitude and bubble size, as well as the relationship between waveform transition time and bubble velocity and passing number were analyzed. The
超声生物学效应的原理
超声生物学效应的原理
超声生物学效应是指超声波对生物体产生的物理、化学、生物学等效应。
其主要原理包括以下几点：
1. 声压力效应：超声波的高频振动作用于生物体时，产生的声压使生物体内的液体和气体发生压缩和膨胀，导致微观结构的变化，进而产生生物效应。
例如，声波压力可以破坏细胞膜的完整性，导致细胞溶解或死亡。
2. 空化效应：在超声波作用下，液体中的气泡会受到声波的周期性压缩和膨胀，产生空化现象。
当气泡膨胀到临界大小时，会发生剧烈的坍缩，释放大量能量，产生局部高温、高压和剪切力，对生物体产生破坏效应。
3. 热效应：超声波能够产生摩擦热，通过声波振动将声能转换为热能，导致局部温度升高。
这种热效应可以用于治疗，如高强度聚焦超声治疗肿瘤。
4. 声动力学效应：超声波对物体产生机械能，可以通过声波的传导、传播和耦合作用，实现对生物组织的物理刺激。
例如，超声波可以改变细胞膜的通透性，促使药物、蛋白质等物质的穿透和吸收。
5. 声流变学效应：超声波可以通过声波振动改变生物体内部流体的流动性质，如增加流体的黏度、改变流体的流动模式等。
这可以用于提高药物的输送效率和组织的治疗效果。
总之，超声生物学效应是由于超声波的机械性质和能量对生物体产生的多种物理、化学和生物学效应的综合作用。
超声空化气泡动力学仿真及其影响因素分析
超声空化气泡动力学仿真及其影响因素分析崔方玲;纪威【期刊名称】《农业工程学报》【年(卷),期】2013(000)017【摘要】为获得最佳的超声空化效果，构建了空化气泡运动的动力学模型，并对模型方程进行数值仿真，探讨了超声频率、声压、空化泡初始半径、反应体系主体温度和绝热指数对空化气泡运动的影响。
模拟结果表明，随着超声频率的增加，空化效应减弱；随着声压幅值的增大，空化泡最大振幅增加，崩溃时的最高温度和最大压力先增大后减小；气泡的初始半径较小，并且反应体系温度较低时，空化效果较好；绝热指数取值的不同会导致空化模拟计算结果有所差异，该研究为超声空化技术的广泛应用提供参考。
%Ultrasonic waves can be found in many different areas such as chemistry, biology, cleaning, medicine, etc. The mechanical interaction between ultrasonic waves and bubbles in liquids leads to a phenomenon described as ultrasonic acoustic cavitation. A cavitation bubble in a liquid undergoes cycles of growth, rapid collapse, and damped rebounds in response to ultrasonic sound waves. Due to the very short lifetime of an ultrasonic cavitation bubble, the high temperature and pressure from its collapse haven’t hitherto been measurable, but the cavitation process can be simulated by constructing a dynamic model of a cavitation bubble. This paper explores physical conditions under which the best ultrasonic cavitation effect can be obtained and provides theoretical guidance for extensive applications of ultrasonic cavitation. Based on theRayleigh-Plesset equation, we perfected bubble dynamic motion in an ultrasonic cavitation model by considering viscosity, surface tension, vapour pressure, adiabatic exponent, and acoustic radiation damping as dynamic factors. Since temperature variations influence physical properties of water, physical models of water saturation vapor pressure, surface tension, sound velocity and viscosity with temperature changing were also built. Thus, influences of ultrasonic frequency, acoustic pressure amplitude, initial bubble radius, bulk solution temperature, and adiabatic index on the evolution process of an ultrasonic cavitation bubble are discussed accordingly. The simulation results indicate that the cavitation effect decreases as ultrasonic frequency increases. With an increase of ultrasonic sound pressure, the radius of cavitation bubble amplitude increases, and both the highest temperature and maximum pressure first increase and then decrease when a bubble collapses. In addition, the cavitation effect’s best condition occurs when the initial radius of a bubble is smaller and the reaction system temperature is relatively low. Moreover, different adiabatic indexes cause variations in our cavitation simulation results. Therefore, in order to obtain a good cavitation effect, the following conditions must be satisfied:1) The frequency of an ultrasonic generator should be lower than 40 kHz, and the lower the frequency, the better the results; 2) The ultrasonic power should be moderate with a suggested sound pressure amplitude within the range 0.2-0.35 MPa; 3) The temperature of the reaction system should not be higher than 320 K, and the lower the temperature, the better the results.【总页数】6页(P24-29)【作者】崔方玲;纪威【作者单位】中国农业大学工学院中国农业大学生物质中心，北京 100083;中国农业大学工学院中国农业大学生物质中心，北京 100083【正文语种】中文【中图分类】O426.4【相关文献】1.超声空化气泡运动的数值模拟 [J], 张红;丁述理;徐博会;任晓慧2.超声空化气泡运动过程的数值分析 [J], 王捷3.低频超声空化场中柱状泡群内气泡的声响应∗ [J], 王成会;莫润阳;胡静4.基于MATLAB的超声空化气泡动态仿真 [J], 王捷;徐军华;靳伟;5.超声空化对溴化锂溶液气泡运动的影响 [J], 郝广宇;韩吉田;李良洁;展茂胜因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
超声空化气泡动力学仿真及其影响因素分析
第29卷第17期农业工程学报 V ol.29 No.172013年9月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Sep. 2013 24 超声空化气泡动力学仿真及其影响因素分析崔方玲，纪威※（中国农业大学工学院中国农业大学生物质中心，北京 100083）摘要：为获得最佳的超声空化效果，构建了空化气泡运动的动力学模型，并对模型方程进行数值仿真，探讨了超声频率、声压、空化泡初始半径、反应体系主体温度和绝热指数对空化气泡运动的影响。
模拟结果表明，随着超声频率的增加，空化效应减弱；随着声压幅值的增大，空化泡最大振幅增加，崩溃时的最高温度和最大压力先增大后减小；气泡的初始半径较小，并且反应体系温度较低时，空化效果较好；绝热指数取值的不同会导致空化模拟计算结果有所差异，该研究为超声空化技术的广泛应用提供参考。
关键词：动力学模型，超声，空化，因素分析doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2013.17.004中图分类号：O426.4 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2013)-17-0024-06崔方玲，纪威. 超声空化气泡动力学仿真及其影响因素分析[J]. 农业工程学报，2013，29(17)：24－29.Cui Fangling, Ji Wei. Dynamic simulation of ultrasonic cavitation bubble and analysis of its influencing factors [J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(17): 24－29. (in Chinese with English abstract)0 引 言随着科学技术的发展，超声在化工、医疗、生物等众多领域得到了广泛的应用[1-6]。
超声波作用下气泡间的相互作用力
超声波作用下气泡间的相互作用力王成会;胡静;莫润阳【摘要】The acoustic radiation of the bubbles is considered in the equation of bubble dynamics, and the forces of interaction between oscillating bubbles are researched theoretically. The numerical results show that there is the attraction interaction between the bubbles with the same size, and the attraction and repulsion appear alternately because the phase of interacting forces vary with time when the two bubbles have different sizes. By high speed photography, the distribution of bubbles is observed in the ultrasonic field caused by the working transducer whose radiation surface is submerged in the tap water. When a local bubble cluster moves to the region where sound pressure is weaker, there is a single bubble escaped continuously from the pit of bubble cluster surface, which presents that bubbles repulse each other in that position. The two bubbles are attractive to each other when their sizes are almost same.%考虑邻近振荡气泡的声辐射对气泡动力学行为的影响,得到了气泡间的相互作用力的表达式.通过数值分析,发现尺寸相同的气泡之间具有引力作用,尺寸不同气泡之间的相互作用力的相位随时间发生变化,引力和斥力交替出现.利用高速摄影系统观察了换能器在自来水中形成的气泡分布.当振荡的局部泡群运动到声压相对较弱区域时,将有单个气泡从泡群表面凹陷处逸出,表明该位置附近气泡之间主要表现为相互排斥.尺寸几乎相同的气泡间则相互吸引.【期刊名称】《陕西师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2011(039)003【总页数】5页(P27-31)【关键词】气泡动力学;泡群;相互作用力;高速摄影【作者】王成会;胡静;莫润阳【作者单位】陕西师范大学应用声学研究所,陕西西安,710062;南京大学声学研究所,江苏南京210093;陕西师范大学应用声学研究所,陕西西安,710062;陕西师范大学应用声学研究所,陕西西安,710062【正文语种】中文【中图分类】O426.2气泡间的相互作用力对气泡的相对位置分布[1-4]具有重要的调节作用,同时,对弄清泡群的振动和变化的内部机制[5-8]也具有积极意义.在液体中,气泡与气泡之间若具有一定距离,则相互作用力是通过“场”实施的.因此,可以认为,在每一个独立的气泡周围存在一个力场,力场强度与气泡的振动变化有关.若气泡作连续的周期性振荡,在液体中形成的力场强度等于其辐射声场强度[7].若为瞬态空化气泡,它在一个或几个声周期就会崩溃,在液体中的力场表现为单脉冲冲击波.一般情况下,气泡在声场中的振动是非线性的,运动情况对初始半径大小反应较为敏感.在同一声场中,不同初始半径的气泡振动形式不同,大致有3类[9]:受迫振动气泡(初始半径相对较小,还未发展为空化气泡的微气泡)、受本征频率调制的小幅振动气泡(初始半径相对较大)和空化气泡.前两类辐射连续波.由于声场中气泡的多样性,气泡间相互作用变得更加复杂,同时有气泡的聚并、空化气泡崩溃后新气泡的生成以及由于液体环境变化而影响溶解气体状态而不断有新的气泡核生成,还有液体内的悬浮粒子对空化泡群聚集状态的影响等.总之,超声波作用下的液体场非常复杂[10].张鹏利等[11]对声场中相互作用的两空化气泡共振频率、共振振幅和空化噪声声压与气泡间距之间的关系的研究结果表明,在一定范围内,气泡间相互影响不能忽略.何国庚等[12]对空泡溃灭的力效应进行了研究,得到了邻近气泡受到的Bjerknes力[13]的表达式,并对其进行了数值分析,表明空泡崩溃时对邻近气泡的作用力能够极大地影响气泡的运动.实验表明,超声波作用下的液体内的气泡半径分布范围很广,相邻的气泡间存在相互作用,从而可导致气泡分布状态的变化.在本文中,作者将对不同尺度范围内的气泡之间的相互作用力进行研究,分析其对气泡的分离和聚合的影响.设不可压缩的液体内有两个初始半径分别为R10、R20,间距为 D的径向振荡气泡,气泡间距和半径远小于声波长,气泡半径比气泡间距小得多,且在振荡过程中气泡能够始终保持球形.对于气泡的径向振动,采用忽略气泡平动对径向运动影响后的Doinikov模型方程[3],不计二阶以上小量后有式中r1和r2分别表示以气泡1、2中心为坐标原点的球坐标系的径向坐标.液体中的总声场是外部驱动声场以及两气泡辐射声场的叠加.由(8)和(9)式可得到两气泡受到与彼此声辐射相关作用力为F1方向由气泡2指向气泡1,F2方向与 F1相反.从(14)和(15)式看出,由于气泡间的相互作用影响彼此的径向运动,从而影响气泡在彼此辐射声场中受到的力.F1和 F2是作用在气泡1和2上的能够影响其中心位置变化的力,方向沿彼此连心线,从表达式可以看出,其具有 D-2以上的量级.数值分析主要针对毫米量级的气泡,所取介质为水,设其ρ=998 kg/m3,c0=1 484 m/s,σ=0.072 5 N/m,p0=1 atm,γ=1.4,驱动声波频率为20 k Hz.图1给出了不同间距的相同气泡间的作用力随时间的变化关系,由于两气泡初始半径相同,均为R10=5×10-4 m,它们在运动变化过程中受到的彼此间的相互作用力也相同,因此只用了一条曲线代表.随着气泡间距离的增大,相互作用力越来越小;由于受到驱动声波周期性的影响,相互作用力也具有一定的周期性特征,表现为在声波的正压相互相吸引.从多个周期的平均作用看,若不考虑其他因素影响,两声波驱动下的初始半径相同的气泡有相互靠近的趋势.由于气泡间的相互作用力还与气泡的体积变化相关,而气泡的初始半径不同,气泡的振动形式也会不同,气泡在运动过程中的体积变化也不同,因此其受对方影响的程度也不相同.图2给出了气泡2和气泡1初始半径之比分别为0.5和3.0时的相互作用力及气泡半径相对值随时间的变化关系,其中,R10=5×10-4 m,D=6R10.由图可见,初始半径较大的气泡振动半径幅度相对较小,但受到的作用力幅值相对较大,因此,在声场中,小气泡受到邻近气泡声辐射引起的平动状态改变影响相对较小.空化气泡在崩溃时产生持续时间在纳秒量级的脉冲声辐射,同样影响相邻大气泡的中心位置移动.最高帧速可达2.5×105帧/s的APX-RS高速摄影机 (日本Photron公司)连接尼康微距镜头,光源为GK6型智能化金卤灯,88-1型超声乳化强化处理机(中国科学院声学研究所),换能器频率约为18 k Hz(用4924阻抗分析仪测得的空载频率),辐射头直径20 mm,所配超声波发生器输出电功率为0～250 W可调,自来水盛放于容积为500 m L的烧杯中,换能器辐射头浸入液面以下,液面高度约为150 mm.换能器工作过程中液体内声波为连续波.高速摄影机拍摄速度为2.0×104帧/s,快门速度为帧速的倒数,每帧像素为512×344.换能器辐射面在液体内高频振荡可导致大量的气泡在其附近生成并激起较强的空化效应.气泡在液体内的分布受到声压分布的调节,同时与气泡之间的相互作用密切相关.在特定的声压环境下,液体内可分离出振荡的局部泡群(图3中圈内白色区域即为局部泡群).由于换能器辐射声波具有较强的指向性,当泡群运动到以换能器辐射面为底的柱状区域以外后,它受到的声辐射力将减弱,其在浮力的作用下缓慢上升.随着泡群的上升,它外部的声压环境也不断变化,可以观察到不断有单个气泡从泡群表面内陷处逸出(即气泡从泡群中分离出来),在其运动路径上排列成“尾巴”状.泡群稳定性受到外部声压、浮力、重力以及泡群内气泡之间的相互作用力的共同影响.从图3可以推断,此时泡群处于非稳定状态,泡群表面凹陷处附近的气泡间的作用力主要表现为排斥力,从而有气泡不断从泡群内逸出.为更好了解气泡间的相互作用,图4给出了用高速摄影机连续拍摄的一组时序照片的截图.从图中可以观察泡群在振荡过程中的形态变化,同时可以观察气泡间的相互作用.由于声压变化的影响,泡群在运动过程中的形状呈不规则变化,与泡群内外的压力平衡状态以及局部气泡间的相互作用相关,在声压的梯度变化方向,还观察到不规则的表面凸起.从时序变化结果可以看出,两气泡相互吸引最终聚合为一个气泡,与数值计算结果给出的结论一致.相对于尺寸几乎相同的大气泡之间的相互作用而言,小气泡对大气泡的作用相对弱一些,因此随着时间的推移,图4圈内两气泡相互靠近,但上面的气泡与其附近的小气泡间的距离越来越大.距离较远的气泡相互影响较小. 对气泡间的相互作用力进行了研究,得到了考虑气泡振荡引起的声辐射后受到的相互作用力.结果表明:尺寸相同的气泡之间相互吸引,而尺寸不同的气泡之间的相互作用力的相位随时间变化,因此吸引和排斥状态交替出现.通过高速摄影系统观察换能器在自来水中声辐射时形成的气泡场的变化可以看出,局部振荡泡群的稳定状态受到声压、浮力、重力和泡群内气泡间的相互作用力的影响,当泡群运动到声压相对较弱的区域时,将不断有单个气泡从泡群表面凹陷处逸出,表明该位置附近气泡之间主要表现为相互排斥.同时在实验中观察到了尺寸几乎相同的气泡间的相互吸引现象.【相关文献】[1]Yang X M,Roy R A,Holt R G.Bubble dynamics and size distributions during focused ultrasound insonation[J].Acoustical Society of America,2004,116(6):3423-3431.[2]Akhatov I,Parlitz U,Lauterborn W.Towards a theo ry of self-o rganization phenomena in bubble-liquid mixtures[J].Physical Review:E,1996,54(5):4990-5003.[3]Doinikov A A,Zavtrak S T.On the“bubble grapes”induced by a soundfield[J],Acoustical Society of America,1996,99(6):3849-3850.[4]王成会.超声声场中气泡的锥状聚集现象[J].陕西师范大学学报:自然科学版,2007,35(4):45-48.[5]Alexander A D.Translationalmotion of two interacting bubbles in a strong acoustic field[J].Physical Review:E,2001,64:1-6.[6]Yurii A,Ilinskii,Mark F,et al.Bubble interaction dynamics in Lagrangian and Hamiltonian mechanics[J].Acoustical Society of America,2007,121(2):786-795.[7]Mark F,Hamilton,Yurii A.et al.Interaction of bubbles in a cluster near a rigidsurface[J].Acoustics Research Letters Online,2005,6(3):207-213.[8]Yurii A,Ilinskii E A,Zabolotskaya.Cooperative radiation and scattering if acoustic waves by gas bubbles in liquids[J].Acoustical Society of America,1992,92(5):2837-2841.[9]王成会,林书玉.超声波作用下气泡的非线性振动[J].力学学报,2010,42(6):1050-1059.[10]Wang Chenghui,Lin Shuyu.The nonlinear standing wave inside the space ofliquid[J].Science China:Physics,mechanics Astronomy,2010,53(3):496-503.[11]张鹏利,林书玉.声场作用下两空化泡相互作用的研究[J].物理学报,2009,58(11):7797-7801.[12]何国庚,罗军,黄素逸.空泡溃灭的Bjerknes效应[J].水动力学研究进展,2000,15(3):337-341.[13]Law rence A C.Bjerknes forces on bubbles in a stationary sound field [J]. Acoustical Society of America,1975,57(6):1363-1370.。
声波在含气泡液体中传播特性及产热效应
声波在含气泡液体中传播特性及产热效应
袁月;苗博雅;安宇
【期刊名称】《应用声学》
【年(卷),期】2018(37)5
【摘要】该文对含气泡液体中的声波方程采用线性分析方法,研究了超声波在含气泡液体中的传播特性以及产热效应.当声波在含气泡液体中传播时,气泡的存在会影响声波的传播,在声波频率接近气泡共振频率的频段内,声信号在液体中传播时剧烈衰减,而在声波频率远远高于或低于气泡共振频率时,声波的传播基本不受影响.在接近气泡共振的频段内,声波耗散的能量最终转化为热能.同时液体中的气泡会在声波驱动下径向振动并辐射声波,伴随气泡壁在液体中的粘滞振动,热量随之产生.结果表明,两种产热机制分别在不同频段起主导作用.
【总页数】5页(P717-721)
【作者】袁月;苗博雅;安宇
【作者单位】清华大学北京 100084;中国船舶工业系统工程研究院北京 100036;清华大学北京 100084
【正文语种】中文
【中图分类】O424
【相关文献】
1.液体表面张力系数、声波在液体中传播速度与液体浓度关系的研究 [J], 李志坤;高本领;张俊
2.含气泡液体中声传播的解析解及其强非线性声特性 [J], 赵晓亮;朱哲民;周林;杜功焕
3.含混合气泡液体中声波共振传播的抑制效应 [J], 陈时;张迪;王成会;张引红
4.基于含气泡液体声波方程的海底冷泉数值模拟 [J], 张闪闪;谷丙洛;任志明;段沛然;李振春
5.含气泡液体中声场能量的传播 [J], 王勇
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基于改进的Keller-Miksis模型的超声空化气泡动力学研究
基于改进的Keller-Miksis模型的超声空化气泡动力学研究贾蕙竹;丁婷【期刊名称】《中国医疗设备》【年(卷),期】2022(37)11【摘要】目的超声空化是诸多超声治疗的关键作用机制,为提高以空化效应为作用机制的超声治疗效率,需探究空化气泡在不同参数下的动力学特性。
方法在Keller-Miksis模型的基础上,考虑传热模式对空化气泡振动特性的影响以及气体不可无限压缩的事实,建立了一个改进的液体中单个超声空化气泡仿真模型,并分析了不同传热模式、空化气泡参数、液体参数和声场参数下的超声空化气泡动力学过程。
结果在等温、等温-绝热、绝热3种不同传热模式下,超声空化气泡动力学过程基本一致;当空化气泡初始半径小于共振半径时,可以增强超声空化效应;随着液体表面张力、液体黏滞系数、液体饱和蒸汽压的增大,超声空化效应减弱;空化气泡的最大瞬态振动半径一方面随着激励频率的增大而明显减小,另一方面随着声压幅值的增大而明显增大。
结论本文基于Keller-Miksis模型构建了一个更接近实际情况的单泡动力学仿真模型,并讨论了不同参数下的超声空化气泡动力学行为。
这为超声空化瞬态物理研究以及有选择性地增强或抑制空化效应从而实现精准高效的超声治疗提供了有效参考。
【总页数】6页(P28-33)【作者】贾蕙竹;丁婷【作者单位】中北大学信息与通信工程学院生物医学成像与影像大数据山西省重点实验室【正文语种】中文【中图分类】R616;O426.4【相关文献】1.基于功率超声珩磨的空化泡动力学模型的研究2.超声空化气泡动力学仿真及其影响因素分析3.基于MATLAB的超声空化气泡动态仿真4.超声反应器中运动空化气泡的动力学研究5.声场中双空化气泡之间的相互作用及气泡动力学研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
气泡动力学的研究及应用
气泡动力学的研究及应用气泡动力学是一门涉及气泡和液体相互作用的学科，领域十分广泛，包括海洋、生物、化工、环保等领域。
它通过研究气泡在液体中的运动和形态变化，探索这些变化对其周围环境的影响，并应用于工业生产、科学研究等领域。
本文将从气泡动力学的基本概念、气泡动力学的研究方法、气泡动力学的应用等方面进行论述。
一、气泡动力学的基本概念气泡动力学是一门研究气泡和液体相互作用的学科。
其中，气泡可以是固体、液态、气态，液体可以是单相、多相，液体和气泡之间的相互作用可以是物理、化学、生物、机械等多种方式。
气泡的形态和大小在运动中会发生变化，这些变化也会影响周围的环境。
二、气泡动力学的研究方法1.实验方法气泡动力学的实验方法包括红外光谱、拉曼光谱、超声、光学显微镜、高速摄像、电极位移等。
实验方法可以提供各种气泡运动参数的信息，例如气泡速度、形态、大小、位置等。
实验方法可以快速而准确地获得气泡动力学的有关信息。
2.数值模拟方法气泡动力学的数值模拟方法包括CFD（Computational Fluid Dynamics ）数值模拟和离散元数值模拟等。
数值模拟方法利用计算机对气泡动力学进行建模，计算气泡和周围流体的运动参数，并预测气泡在流体中的路径和形态，在实验方法不能满足需要时，数值模拟是一种有效的研究方法。
三、气泡动力学的应用1.海洋领域在海洋环境中，气泡动力学的研究可以帮助人们了解海水中气泡的产生和运动规律，为海洋盐度、营养元素的分布、海洋生态系统的健康等问题提供依据。
此外，气泡动力学还可用于海洋工程中的气泡除污、泡洗等操作中。
2.生物领域在生物体内，气泡动力学的研究可以帮助人们了解人体内的血流和空气流动规律，为疾病的诊断与治疗提供依据。
例如，用气泡动力学方法研究人体的血流可以帮助卫生工作者发现血栓的存在和位置，预防血栓性疾病。
另外，气泡动力学还可以用于病菌识别、生物学仿生学研究等方面。
3.化工领域在化工工程中，气泡动力学可以用于流动过程中的物质传输与反应过程的研究，如气体液体间的传质与反应区。
超声波气泡检测原理
超声波气泡检测原理
超声波气泡检测原理是基于超声波在液体中传播的特性和气泡对超声波的散射作用。
当超声波通过液体中的气泡时，会发生反射、散射和吸收等现象，这些现象可以用来检测气泡的存在和特性。
超声波传播过程中的反射现象是指超声波遇到气泡表面时发生反射回来的现象。
反射信号的强弱与气泡表面的特性有关，如表面形状、大小和液体性质等。
超声波传播过程中的散射现象是指超声波遇到气泡内部的界面或气泡周围的流体界面时发生散射现象。
散射信号包含了气泡的特性信息，如气泡的直径、形状和位置等。
超声波传播过程中的吸收现象是指超声波在液体中传播时被液体吸收的现象。
气泡对超声波的吸收会导致信号衰减，衰减程度与气泡的大小和液体性质相关。
通过接收和分析超声波的反射、散射和吸收信号，可以对液体中的气泡进行检测和分析。
常用的方法包括超声波探头发射和接收信号的处理与分析，通过测量超声波的振幅、频率和相位等参数，可以获取气泡的大小、形状、数量和位置等信息。
总之，超声波气泡检测原理利用超声波在液体中传播时与气泡的相互作用，通过分析反射、散射和吸收信号，可以实现对气泡的探测和分析。
超声空化气泡运动过程的数值分析
超声空化气泡运动过程的数值分析作者：王捷来源：《价值工程》2011年第01期摘要：文章基于考虑了液体表面张力、液体粘滞性和辐射阻尼的气泡运动方程，采用数值分析方法研究了在不同声场频率和气泡初始半径条件下单一空化气泡的动力学过程。
Abstract： Based on the bubble dynamic equation under the consideration of liquid surface tension, viscosity and radiative resistance, this essay adopted numerical simulations to investigate single cavitation bubble dynamics with different kinds of acoustic driving frequencies and bubble initial radiuses.关键词：超声空化；空化气泡；数值分析Key words： ultrasonic cavitation；cavitation bubble；numerical analysis中图分类号：G30文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）01-0196-020引言随着科学技术的发展，超声已在众多领域得到了广泛的应用，在这些应用中，超声空化是引发各种物理、化学和生物效应的主要机理，这些效应与瞬态空化气泡崩溃时所产生的高温高压等现象有关。
在研究单一空化气泡动力学过程的方法中，数值分析是除理论和实验方法之外的一种研究方法，至少有两方面原因表明它是必要的。
首先，由于气泡运动过程中高度的非线性，使得从理论上建立能够精确描述空化过程的方程实际上是不可能的，其次，微米级大小的空化气泡半径和持续时间为微秒至纳秒级的气泡运动周期使得实验测量也难以进行。
本文基于考虑了液体表面张力、液体粘滞性和辐射阻尼的气泡运动方程，采用数值分析中Runge-Kutta 方法研究在不同声场频率和气泡初始半径条件下单一空化气泡的运动过程。
一种气泡流量超声波检测系统的研究
根据系统设计要求， 数据采集系统主要由超声波 发送模块、超声波接收模块、基于 CPLD 的数据采集模 块组成，其系统的总体结构如图 2 所示。
系统工作原理为： 超声波发射器在超声波发送模 块产生的激励信号作用下， 向超声波接收器发射超声 波；当超声波接收模块接收到目标信号后，首先进行信 号放大和相关调理处理；然后送至数据采集模块，并把 采集到的数据暂存于数据缓存区； 当数据缓存区完成 一个周期（存满 1024 字 节 数 据 为 一 个 周 期 ）的 数 据 存
Hydraulics Pneumatics & Seals/No.7.2010
一种气泡流量超声波检测系统的研究
黄 为 吴百海
（广东工业大学，广东广州 510090）
摘 要：本文针对海底冷泉天然气渗漏参数进行数据采集的需要，利用超声波获取海水中被测对象的参数，研究出一种气泡流量超声
波数据检测系统。 同时，建立了模拟实验装置并进行了前期实验，验证了该系统的可行性，为工程实现提供了技术原型。
19
液压气动与密封/2010 年第 7 期 储后， 由主控制模块 CPLD 发出溢出命令字给 PC 机， 再由 PC 机读取该数据块并作相应后处理。 当上位机读 取完一个周期数据后，再在主控制模块的控制下，开始 完成下一个周期的数据传输，如此重复工作。 下面将分 别介绍各个独立模块结构与工作原理。
(Guangdong University of Technology，Guangzhou 510090，China)
Abstract: It is the main purpose to complete the data collection for undersea gas leakage parameter. The use of ultrasound to obtain the parameters of the object measured in seawater, we developed an ultrasonic detection system for bubble flow. And we set up a device for simulatingc, ompleted a pre-test,verify the feasibility of the system. It has provided technical prototype for engineering realization. Key Words: gas leakage parameter； bubble flow； ultrasound； data acquisition
气泡动力学研究
气泡动力学研究A.ShimaProfessor Emeritus of Tohoku University, 9-26 Higashi Kuromatsu, Izumi-ku, Sendai 981, Japan Received 17 June 1996 / Accepted 15 August 1996摘要：为了弄清楚与空化现象密切相关的气泡的特性，气泡动力学的研究已经深入的进行并且建立了其研究领域。
本文旨在结合激波动力学简单的介绍气泡动力学及其历史。
关键字：气泡、空化、脉冲压力、液体射流、冲击波、损害坑。
1引言在1894年的英格兰，当船在高速螺旋桨推动下试运行的时候达不到设计速度。
为了查清这种现象的原因而设计了一个试验并最终发现了空化现象。
从那时起，空化现象的研究日益进展，因为空化现象是阻碍工作在流体环境中的水力机械性能提高的一个重要因素。
然而，现在为了根本的理解空化现象及其相关内容，人们已经意识到应该研究气泡动力学。
作者研究空化现象和气泡动力学四十多年，本文简单介绍一些气泡动力学研究及其与冲击波动力学的联系。
2空化和气泡核水在水轮机，水泵，螺旋桨和带有各种沟渠的水力机械中流过，当液体和固态水翼的表面或者沟槽壁的相对速度变得如此大以至于局部水流的静压力减小到极限压力以下时空化现象就出现了，这个极限压力被称为空化初始压力。
通常情况下当水中不满足空化条件时，称为气泡核的小气泡是不存在的，水能抵抗非常大的负压，空化现象不能轻易的发生。
然而，水中通常包含几个百分点的空气，因此在这种情况下气泡核生长称为可见的气泡和容易被告诉摄影观察到（Knapp and Hollander 1948）。
这就是所谓的空化现象。
同样地，假设有一个气泡核半径为，在液体中随着温度变化而生长，气泡存在和稳定的条件通过由静力平衡关系得到的公式给出（Daily and Johnson 1956）。
上式中σ是液体的表面张力，是液体饱和蒸汽压，P是液体压力。
气泡动力学的工作原理与传热特性研究
气泡动力学的工作原理与传热特性研究气泡动力学是一门研究气泡在流体中的运动和传热特性的学科。
在工程领域中，气泡动力学的研究对于液相传质、沸腾现象以及圆柱等结构物的强制对流换热等问题都起到了重要作用。
本文将介绍气泡动力学的工作原理，并进一步探讨气泡在传热过程中的特性。
1. 气泡的生成与生长气泡的生成与生长是气泡动力学的基础。
气泡可以通过沸腾、溶解气体和化学反应等方式产生。
一旦气泡生成，它会以一定速度不断生长。
气泡的生长受到流体的压力、温度和表面张力等因素的影响。
当气泡在流体中不断吸收气体时，它的体积将增大，同时由于表面张力的存在，气泡的形状也会发生变化。
2. 气泡在流体中的运动气泡在流体中的运动是气泡动力学中的关键问题。
由于气泡的体积较小，其在流体中的运动主要受到流体阻力和浮力的作用。
在水中，气泡的运动可以分为上升、下沉、静止以及周期性振荡等几种情况。
气泡的运动速度和轨迹受到流体的性质、气泡大小以及外界条件的影响。
3. 气泡与传热在传热过程中，气泡在流体中的存在对传热特性有重要影响。
首先，气泡的生成和破裂过程会引起流体中的液相传质现象，从而加速传热速率。
其次，气泡运动所产生的流动与涡旋结构会改变流体的温度分布，进一步影响传热。
最后，气泡与固体表面的接触会引起相变传热，如沸腾传热过程中，气泡的生成和脱落会使得固体表面的传热系数显著提高。
4. 气泡动力学在工程中的应用气泡动力学的研究对于工程领域中的许多问题具有重要的指导意义。
例如，在核反应堆等装置中，气泡的生成和脱落会对燃料棒的冷却性能产生影响。
此外，在传热器中，气泡动力学的研究可以用于改进传热器的设计，提高传热效率。
在化工生产中，气泡动力学的应用可以优化反应器的传热与传质过程，提高生产效率。
总结：气泡动力学是一门重要的研究领域，它涉及气泡的生成、生长、运动以及与传热过程的关系。
气泡动力学的研究对于液相传质、沸腾现象以及工程领域中的传热问题具有重要意义。
超声场下空化气泡运动的数值模拟和超声强化传质研究
超声场下空化气泡运动的数值模拟和超声强化传质研究随着科技的发展，超声波在物理学、医学等许多领域都得到了广泛应用。
在流体力学领域，超声波作为一种外场干扰，对流体动力学和传质等过程产生很大影响，其中，空化气泡运动和超声强化传质是热点研究方向之一。
空化气泡运动的数值模拟是流体力学领域重要的基础研究应用之一。
虽然物理建模较为复杂，而且计算量也很大，但是它通过数值模拟的方法，可以有效地掌握空化气泡在不同流场条件下的运动规律和物理特性，为相关领域应用提供科学依据。
超声强化传质是超声波在化学、生物等领域的应用之一。
传质过程是许多化学反应中不可或缺的步骤，超声强化传质能够加强物质间传质难度，并使反应速率提高，并且对化学反应有很好的增效作用。
在空化气泡运动和超声强化传质的研究中，数值模拟和实验相结合是一个常用的方法。
在数值模拟方面，目前多采用计算流体力学（CFD）的方法。
首先，通过九平面Yih方案建立了空化气泡数值模拟的数学模型，模拟结果可以描绘气泡在场中的运动特征以及涡旋和漩涡的形成。
进一步研究表明，在固体表面时气泡的形态、涡旋和漩涡的形成等受到了壁面的影响，这也进一步说明物体表面的物理化学性质对流体力学中的空气化现象影响很大。
其次，通过在气泡液液界面的传质实验中发现，低频超声波可以增加系统的传质速率。
实验结果显示，随着超声波频率的降低，传质速率逐渐升高，起始频率在28.8 kHz时，传质速率达到最大值，并随着频率的降低而下降。
这说明低频超声波可以在界面附近产生局部的激波透过界面，使传质速率增加。
此外，实验也表明，超声波的强度对传质速率的影响也非常显著。
总之，空化气泡运动的数值模拟和超声强化传质是流体力学中的重要方向，通过数值模拟和实验相结合的方法可以有效地掌握这两个过程在不同流体场中的影响规律和物理特性。
这些研究成果为相关领域应用提供了一定的科学依据，也促进了超声应用在不同领域的发展。
声波激励下管路轴向分布双气泡动力学特性分析
声波激励下管路轴向分布双气泡动力学特性分析*李想1) 陈勇2)3)† 封皓1) 綦磊4)1) (天津大学精密仪器与光电子工程学院, 天津 300072)2) (国防科技大学空天科学学院, 长沙 410073)3) (中国空气动力研究与发展中心, 绵阳 621000)4) (北京卫星环境工程研究所, 北京 100094)(2020 年4 月14日收到; 2020 年5 月11日收到修改稿)针对基于声学理论的管道气泡检测技术面临的声波作用下的气泡相互作用机理问题, 本文基于自由气泡Rayleigh-Plesset模型, 通过引入次Bjerknes辐射力, 构建能够考虑管道轴向气泡分布的可压缩性双气泡动力学模型. 利用四阶龙格库塔方法开展数值计算, 对比分析了不同激励声波频率与幅度作用下自由气泡与双气泡模型引起的气泡动力学特征的区别. 同时对比了液体可压缩与不可压缩假设引起的气泡动力幅频响应的区别, 表明可压缩假设下的次Bjerknes辐射力引起气泡发生受迫振动, 不改变气泡的线性共振特征; 而不可压缩假设引起气泡间发生强耦合, 从而改变气泡系统的线性共振特征. 气泡距离直接影响次Bjerknes辐射力大小, 导致气泡动力学趋向于非线性振动, 与线性振动的频谱特征差别明显. 气泡轴向位置的变化引起外界激励声波的变化, 从而改变气泡的初始振动特征. 初始特征的差异与次Bjerknes辐射力发生耦合作用, 影响气泡动力学特征, 甚至发生非线性振动. 研究表明, 小气泡在共振的情况下, 与次Bjerknes辐射力发生耦合作用, 使得双气泡系统更容易趋向于非线性特征; 而大气泡则能够较好地保持线性共振状态.关键词：气泡动力学, 次Bjerknes力, 可压缩流体, 气泡检测PACS：47.55.dd, 43.35.Ei, 47.55.D–, 47.55.db DOI: 10.7498/aps.69.202005461 引 言气泡检测是航天推进管路系统在轨状态监控的一项重要指标, 气泡的存在不仅影响诸如压力泵的正常工作, 而且影响燃烧室气液混合, 引起不稳定燃烧, 导致推进系统工作不稳定, 甚至发生灾难性结果[1]. 另外, 气泡检测可以用于评价贮箱表面张力等推进剂管理装置性能, 也可用于监控在轨流体传输中气泡吹除过程[2]. 基于声学理论的气泡检测技术由于具备响应速度快、非接触安装等特征,得到了广泛的重视, 并发展了“被动”以及“主动”两大类检测方法[3,4]. 具体而言, 被动方法通过检测气泡共振信号获得气泡尺寸信息. 主动方法基于气泡与声学耦合动力学机理, 根据声波在两相流中传播特征从而实现气泡检测. 两者的理论核心是管道流动中气泡在声场作用下的动力学特征.对于声波作用下的自由单气泡动力学特征的研究, 已有大量的学者从建模[5]、数值计算[6,7]以及试验[8,9]的角度开展了丰富的工作, 分别研究了气泡的线性以及非线性[10,11]特征, 形成了较为完善的理论基础[12]. Rayleigh[13]首先对气泡与声学耦合机理开展理论建模工作, 基于气泡球形假设, 研究了单个气泡的溃灭过程, 推导了著名气泡径向壁面运动学方程—Rayleigh方程. 由于Rayleigh 方程不计液体黏性、表面张力和液体可压缩性等,* 国家自然科学基金重大研究计划(批准号: 91741107)资助的课题.† 通信作者. E-mail: literature_chen@© 2020 中国物理学会 Chinese Physical Society 后续研究者陆续对Rayleigh方程进行了研究并修正. Hsieh 和 Plesset[5]考虑液体的黏性、液体表面张力的影响, 基于球形气泡的假设, 形成了较为完善的气泡壁面径向振动Rayleigh-Plesset方程.由于实际气泡检测应用中存在大量气泡, 气泡相互作用使得单气泡模型无法准确地描述多气泡动力学特征, 研究表明, 气泡间次级辐射形成的次Bjerknes力[14,15]显著影响气泡振动特征及气泡分布[16]. 对多气泡动力学特征的研究主要通过两种途径展开, 分别为通过将气泡与液体构成的连续介质看作整体从而分析气泡群的整体变化以及分析气泡群内每个气泡的运动变化. 前者通常分析线性或弱非线性环境下气泡群的动力学行为. Omta[17]发现了气泡群的共振频率远小于单气泡的共振频率. Hamilton 等[18]描述了液体可压缩性对气泡间相互作用的影响并对气泡群生长、合并和崩溃进行模拟. 后者重点考虑泡群内气泡间的相互作用. Mettin 等[14]研究了强声场中不同尺寸球形气泡之间的次Bjerknes力特征及其对气泡平移变化规律的影响. Pelekasis 等[15]在确保驱动频率的二次谐波处于双气泡系统中不同半径气泡对应的共振频率之间的前提下, 研究了不同声场振幅下双气泡之间的次Bjerknes力对气泡平移变化规律的影响. Doinikov[19]对多个任意空间排列的多气泡结构中的每个气泡的动力学特征进行了求解, 并且对不同分布下气泡的平移与径向运动特征进行了分析. Maiga等[20]理论分析了双气泡作用下的空化现象. Yoshida等[21]与Jiao等[22]通过试验验证了次Bjerknes力对双气泡动力学特征的影响, Zilonova 等[23]分析了双气泡之间的黏弹性力问题.上述研究主要集中于气泡在同一横截面内的情况, 使得所有气泡都处于同一外界声波激励. 另一方面, 大量工作研究了相同尺寸大小气泡形成的气泡群的动力学特征. 本文拟针对基于声学理论的管道气泡检测问题, 研究管道内任意分布(轴向或者径向)的不同尺寸的双气泡(如图1所示)在外界声场激励下的线性与非线性动力学行为. 分析气泡距离与气泡轴向位置等对气泡动力学特征的影响, 对比分析不同激励声波频率与幅度等因素对气泡动力学特征的影响, 同时研究多因素耦合作用引起气泡动力学的变化.2 基本方程2.1 双气泡动力学模型xrR1(r1,x1) R2(r2,x2)p21p12h xθp′图1为二维管道内气泡分布示意图. 在分析过程中, 采用柱坐标系进行标记, 即表示轴向坐标,表示径向坐标. 本文只考虑激励声波对气泡半径的影响, 忽略气泡在周向的变化, 气泡动力学满足轴对称特性. 假设管道流体中两气泡大小与位置随机分布, 半径为的气泡1的球心位置为,半径为的气泡2的球心位置为. 气泡2对气泡1的次Bjerknes作用力为, 气泡1对气泡2的次Bjerknes作用力为. 气泡球心之间的距离为, 且球心连线与轴的角度为, 激励气泡的外界声波表示为.由于双气泡动力学模型系统中气泡的运动受到气泡间次Bjerknes辐射力的影响, 与单自由气泡动力学特征不一致, 需要针对管路内气泡特征进行理论建模. 在建模过程中考虑液体的黏性、表面张力等影响, 并假设泡内气体是理想气体且压强分布均匀, 气泡与液体不存在滑移现象. 为简化建模,忽略气泡内动力学特征, 包括水汽、气液界面间的热传导, 气泡的形成、破裂与合并. 当激励声波频率足够大时, 激励声波在管道中形成不同的模态,导致声波在径向存在复杂的分布, 从而带来复杂的气泡动力学特征. 针对检测技术而言, 重点研究平面波激励下的气泡动力学特征. 此外, 忽略扰动在管道壁上反射引起的气泡额外辐射力. 需要指出的是, 当气泡在管壁附近时, 管壁的影响不可忽略[24].在上述假设情况下, 气泡1与气泡2的动力学模型可以表示为[25]图 1 管道内双气泡位置示意图(二维)Fig. 1. Schematic diagram of two-bubble positions in the pipeline (two-dimensional).σηρL p ∞p ′(x 1)p ′(x 2)P V γ=constant γV 其中, 与 分别表示液体的表面张力系数以及剪切黏性系数; 表示液体密度; 为外界环境气压;和 为声波激励信号. 通过气泡质量守恒( , 为气体比热比, 为气泡体积)可以得到气泡内压强为[26]R 10R 20其中, 与 分别表示气泡1与气泡2的平衡半径.此外, 气泡辐射力可近似地表示为式中考虑液体的可压缩特征. 将(3)—(6)式分别代入(1)式和(2)式可以得到气泡1与气泡2在外界声场作用下的动力学模型:2.2 线性化分析R 1=R 10(1+ε1),R 2=R 20(1+ε2)ε1ε2利用平衡半径 ,其中 与 分别表示气泡振动引起的无量纲化半径变化小量, (7)式和(8)式可以简化为忽略高阶项并保留线性项可以得到:当不考虑气泡间相互作用时, 自由气泡的动力学特征可以表征为不难得到, 气泡1在自由振动下的阻尼系数与共振频率为同理, 气泡2在自由振动下的阻尼系数以及共振频率分别为c L→∞当不考虑液体可压缩特性时, 声波扰动在液体中传播速度为无穷大, 即, 则(11)式和(12)式可以简化为fres_twobub(17)式描述了不可压缩液体中双气泡在外界声波扰动作用下的线性动力学特征. 其线性共振频率满足:δ1=0δ2=0可以通过牛顿迭代法等求解方程(18)的根,获得对应的双气泡共振频率. 当忽略系统振动阻尼的影响(以及)时, (18)式可以简化为方程(9)的解析解即为不可压缩流动中双气泡共振频率.3 数值分析P∞=101ρL=998σ=0.0725η=1×10−3c L=1480γ=1.4p′(x)=A0cos(2πft−2πfx/c L)A0fR10=0.2R20=0.8本节通过数值计算研究不同尺寸大小的气泡在不同声波激励下的非线性动力学特征, 深入分析外界声波扰动、气泡间距离以及气泡轴向位置等对气泡演化的影响. 在数值计算的过程中, 外界环境气压 kPa, 液体密度 kg/m3,表面张力系数 N/m, 黏性系数kg/(m·s), 静止液体中声波的传播速度m/s, 气体比热比. 在数值计算过程中, 声波激励信号,其中为激励声波幅值, 为声波激励频率, 不考虑激励声波在传播过程中的损失. 假设两气泡的平衡半径分别为 mm以及 mm,f res_1≈f res_2≈则根据(15)式与(16)式可以得到两气泡的共振频率分别为 16.45 kHz以及 4.10 kHz.数值计算过程中, 结合两气泡的共振频率, 激励声波频率分别为2, 15以及50 kHz; 同时, 选择两种激励声波幅度进行对比分析, 分别为1 Pa与1 kPa.针对气动非线性动力学系统((7)式和(8)式), 采用四阶龙格-库塔方法进行计算.3.1 单气泡与双气泡动力学对比分析h=84.73×10−6R1,2=R10,20˙R1,2=0xπ/2本小节分析不同声波频率与幅度激励下的气泡动力学特征, 并对比双气泡与自由气泡的扰动动力学特征. 为降低气泡二次辐射力的影响, 在双气泡动力学计算过程中, 两气泡之间的距离设置为mm, 对应气泡间二次辐射力延时时间约为s. 数值计算中时间迭代步长为10–7 s,气泡的初始状态设置为以及.为保证激励信号对双气泡的影响一致, 气泡球心连接线与轴向坐标轴的夹角设置为. 图2给出了相应的气泡半径的演化过程.R1/R10R2/R20具体而言, 图2(a)表示1 Pa幅度的激励声波引起的气泡1相对半径()的演化过程,图2(b)表示1 Pa幅度的激励声波引起的气泡2相对半径()的变化过程, 图2(c)与图2(d)f res_1≈R 1/R 10分别表示1 kPa 幅度的激励声波引起的气泡1与气泡2的相对半径的演化过程. 不难看出, 在激励幅度不变的情况下, 激励声波频率越接近气泡共振频率, 引起的气泡相对半径变化幅度就越大. 具体而言, 在图2(a)与图2(c)中, 15 kHz 的激励频率与气泡1的自由共振频率 16.45 kHz 接近,引起的半径相对变化 较其他两种工况要大.当激励频率远离共振频率时, 气泡的响应变弱, 表现为气泡1在激励频率为2 kHz 工况下的相对半f res_2≈R 2/R 20径变化大于50 kHz 激励下相对半径变化. 同理,在图2(b)与图2(c)中, 2 kHz 的激励频率与气泡2的自由共振频率 4.10 kHz 接近, 引起的半径相对变化 较其他两种工况明显.h =8mm 通过对比图2(a)与图2(c)及图2(b)与图2(d)可以得到, 在激励频率相同的情况下, 激励幅度越大, 引起的气泡半径变化越大. 需要指出的是, 当气泡间距离为 时, 气泡1和气泡2在自由振动与气泡间辐射力影响下的振动状态差别不明显.Time/ms1/ 10Time/ms2/ 20Time/ms 1/ 10Time/ms2/ 20图 2 三种不同频率(2, 15和50 kHz)与两类幅度(1 Pa 与1 kPa)声波激励下的自由气泡与双气泡设置下半径振动特征(a) 1 Pa 声波激励下气泡1在三种激励频率工况下自由气泡与双气泡约束对应的气泡半径振动特征; (b) 1 Pa 声波激励下气泡2在三种激励频率工况下自由气泡与双气泡约束对应的气泡半径振动特征; (c) 1 kPa 声波激励下气泡1在三种激励频率工况下自由气泡与双气泡约束对应的气泡半径振动特征; (d) 1 kPa 声波激励下气泡2在三种激励频率工况下自由气泡与双气泡约束对应的气泡半径振动特征; 图例在图(d)中给出Fig. 2. Effects of acoustic excitations with different frequencies (2, 15 and 50 kHz) and amplitudes (1 Pa and 1 kPa) on the bubble dynamics under single free and regulated two-bubble vibrations: (a) Relative radius of bubble 1 between two configurations (single free and regulated two-bubble vibrations) with the amplitude of acoustic excitation being 1 Pa; (b) relative radius of bubble 2between two configurations (single free and regulated two-bubble vibrations) with the amplitude of acoustic excitation being 1 Pa;(c) relative radius of bubble 1 between two configurations (single free and regulated two-bubble vibrations) with the amplitude of acoustic excitation being 1 kPa; (d) relative radius of bubble 2 between two configurations (single free and regulated two-bubble vi-brations) with the amplitude of acoustic excitation being 1 kPa. The figure legend is given in panel (d).3.2 气泡距离对双气泡动力学影响h 6.76×10−74.73×10−6R 1,2=R 10,20˙R1,2=0本小节分析气泡距离对双气泡动力学的影响.具体而言, 设置两个工况, 即气泡间距离 分别为2与8 mm, 对应平衡状态下时间延时分别为 与 s. 数值计算中时间迭代步长为10–7 s, 气泡的初始状态设置为 以及. 外界声波的激励频率和幅度与3.1小节保持一致. 图3给出两个气泡的相对半径动力学特征, 图4给出了两个气泡受到的相应次Bjerknes 辐射力.R 1/R 10R 2/R 20图3(a)表示1 Pa 幅度的激励声波引起的气泡1相对半径( )的演化过程, 图4(a)表示气泡2对气泡1形成的次Bjerknes 辐射力. 图3(b)表示1 Pa 幅度的激励声波引起的气泡2相对半径( )的变化过程, 图4(b)表示气泡1对气泡2形成的次Bjerknes 辐射力. 图3(c)与图3(d)分别表示1 kPa 幅度的激励声波引起的气泡1与气泡2的相对半径的演化过程. 图4(c)与图4(d)则表征了气泡间相应的次Bjerknes 辐射力. 与图2对比可以得到, 当次Bjerknes 辐射力不明显时, 在Time/ms1/10Time/ms2/ 20Time/ms 1/ 10Time/ms2/ 20图 3 三种不同频率(2, 15和50 kHz)与两类幅度(1 Pa 与1 kPa)声波激励下的不同气泡距离(2与8 mm)对气泡振动动力学特征影响 (a) 1 Pa 声波激励下气泡1在三种激励频率工况下不同气泡距离对应的气泡半径振动特征; (b) 1 Pa 声波激励下气泡2在三种激励频率工况下不同气泡距离对应的气泡半径振动特征; (c) 1 kPa 声波激励下气泡1在三种激励频率工况下不同气泡距离对应的气泡半径振动特征; (d) 1 kPa 声波激励下气泡2在三种激励频率工况下不同气泡距离对应的气泡半径振动特征; 图例在图(a)和(c)中给出Fig. 3. Effects of acoustic excitations with different frequencies (2, 15 and 50 kHz) and amplitudes (1 Pa and 1 kPa) on the bubble dynamics under different distances, with 2 mm and 8 mm, between the two bubbles: (a) Relative radius of bubble 1 under two dif-ferent bubble’s distance with the amplitude of acoustic excitation being 1 Pa; (b) relative radius of bubble 2 under two different bubble’s distance with the amplitude of acoustic excitation being 1 Pa; (c) relative radius of bubble 1 under two different bubble’s distance with the amplitude of acoustic excitation being 1 kPa; (d) relative radius of bubble 2 under two different bubble’s distance with the amplitude of acoustic excitation being 1 kPa. The figure legend is given in panel (a) and (c).激励声波频率越接近气泡共振频率时, 气泡半径变化越明显; 激励声波幅度越大, 气泡半径动态变化的幅度也相应增大.图3(b)与图3(d)中, 2 kHz 的激励声波频率由于接近气泡2的共振频率, 激发的气泡半径变化与其他两种激励频率相比更加显著. 随着时间的增加, 15 kHz 的激励频率在气泡间距离为2 mm 时增加了气泡1的半径变化(图3(a)与图3(c)), 进而导致气泡1对气泡2的次Bjerknes 辐射力增加(图4(b)与图4(d)), 使得气泡2在15 kHz 的激励声波的作用下其半径变化显著. 另一方面, 2 kHz的激励频率在气泡间距离为2 mm 时对气泡2的影响与气泡间距离为8 mm 时对气泡2的影响区别不显著(图4(a)与图4(c)), 使得气泡1的动力学特征变化并不明显(图3(a)与图3(c)). 而对于50 kHz 的激励声波, 其频率与两个气泡的共振频率差别较大, 气泡间距离对气泡动力学较小.从图4(a)与图4(c)可以看到, 在气泡初始振动阶段, 8 mm 的气泡间距离引起的次Bjerknes 辐射力存在大于2 mm 气泡间距离的工况. 随着时间的推移, 2 mm 气泡间距离下的次Bjerknes 辐射力急剧增大, 使得气泡动力学进入非线性状态. 当激Time/ms21/NTime/ms21/NTime/ms 21/104 NTime/ms21/104 N图 4 三种不同频率(2, 15和50 kHz)与两类幅度(1 Pa 与1 kPa)声波激励下的不同气泡距离(2与8 mm)形成的次Bjerknes 辐射力 (a) 1 Pa 声波激励下气泡1在三种激励频率工况下不同气泡距离对应的次Bjerknes 辐射力; (b) 1 Pa 声波激励下气泡2在三种激励频率工况下不同气泡距离对应的次Bjerknes 辐射力; (c) 1 kPa 声波激励下气泡1在三种激励频率工况下不同气泡距离对应的次Bjerknes 辐射力; (d) 1 kPa 声波激励下气泡2在三种激励频率工况下不同气泡距离对应的次Bjerknes 辐射力Fig. 4. Effects of acoustic excitations with different frequencies (2, 15 and 50 kHz) and amplitudes (1 Pa and 1 kPa) on the second Bjerknes force under different distances, with 2 mm and 8 mm, between the two bubbles: (a) Relative radius of bubble 1 under two different bubble’s distance with the amplitude of acoustic excitation being 1 Pa; (b) relative radius of bubble 2 under two different bubble’s distance with the amplitude of acoustic excitation being 1 Pa; (c) relative radius of bubble 1 under two different bubble’s distance with the amplitude of acoustic excitation being 1 kPa; (d) relative radius of bubble 2 under two different bubble’s distance with the amplitude of acoustic excitation being 1 kPa.励频率接近于任意气泡共振频率时, 气泡间的次Bjerknes 辐射力得到了显著加强, 使得双气泡的半径变化特征显著. 由图3可以得到, 当气泡半径比较小时, 共振频率高, 相应的次Bjerknes 辐射力的影响显著提前(对应15 kHz 激励声波工况). 当次Bjerknes 辐射力远离气泡共振频率(50 kHz)时,其对初始气泡动力学特征的影响较小.3.3 气泡轴向位置的影响x θθπ/2π本小节对气泡轴向位置的影响进行分析, 通过改变两气泡球心连线与轴向坐标 轴夹角 的大小实现轴向位置的改变. 在数值计算过程中, 分别取值0, , , 对应三种不同位置. 此外, 气泡球R 1,2=R 10,20˙R1,2=0心距离设置为2 mm, 激励声波幅度为1 kPa. 数值计算中时间迭代步长为10–7 s, 气泡的初始状态设置为 以及 . 图5—图7给出了气泡半径的动态演化过程图.θ=π/2θ=0x 2−x 1=2θ=πx 2−x 1=−2θ=0θ=π物理上而言, 当 时, 两个气泡的轴向位置一致, 激励信号对两个气泡的相位和幅度保持一致. 当 时, 两个气泡的轴向位置不同, 且满足mm. 当 时, 两气泡的轴向位置满足 mm. 针对 以及 的工况, 外界激励声波对两气泡存在相位的差别.θ=0θ=π/2θ=π0.017π−0.017π当声波激励频率为2 kHz 时, 三种位置工况( , 与 )对应的相位延时分别为, 0以及 . 由图5可以看出, 在上述Time/ms 1/ 10Time/ms2/ 20图 5 2 kHz 声波激励下不同气泡位置对气泡振动过程的影响 (a)三种不同相对位置工况下气泡1相对半径动态变化图;(b)三种不同相对位置工况下气泡2相对半径动态变化图Fig. 5. Effects of different bubble locations on the bubble’s dynamics with the frequency of acoustic excitation being 2 kHz: (a) The radius dynamics of bubble 1 under three different locations; (b) the radius dynamics of bubble 2 under three different locations.Time/ms 1/ 10Time/ms2/ 20图 6 15 kHz 声波激励下不同气泡位置对气泡振动过程的影响 (a)三种不同相对位置工况下气泡1相对半径动态变化图;(b)三种不同相对位置工况下气泡2相对半径动态变化图Fig. 6. Effects of different bubble locations on the bubble’s dynamics with the frequency of acoustic excitation being 15 kHz: (a) The radius dynamics of bubble 1 under three different locations; (b) the radius dynamics of bubble 2 under three different locations.0.1274π−0.1274π延迟工况下, 气泡1与气泡2的相对半径变化趋势在三种工况下基本保持一致. 当声波激励频率为15 kHz 时, 三种位置工况对应的相位延时分别为, 0以及 .0.4245π−0.4245π由图6可得, 气泡1与气泡2的相对半径趋势在初始状态存在微小区别. 随着时间的增加, 由于次Bjerknes 辐射力的影响, 气泡1与气泡2的相对半径变化在三种工况下的演化趋势差别明显. 相位的不一致带来次Bjerknes 辐射力的变化, 次Bjerknes 辐射力的改变不仅影响相位的变化, 而且明显改变气泡半径的变化幅度. 当声波激励频率为50 kHz 时, 三种位置工况对应的相位延时分别为 , 0以及 .由图7可得, 气泡1与气泡2的相对半径趋势在初始状态下存在较大区别. 随着时间的推移, 三种工况对应的气泡1与气泡2的相对半径的演化存在明显区别, 表明相位的改变与次Bjerknes 辐射力形成了如图6所示的非线性耦合. 由于激励声波的频率为50 kHz, 与气泡的共振频率差别比较大, 使得非线性耦合较15 kHz 时的工况弱, 表现为图7所示的气泡相对半径比图6中气泡相对半径变化弱.3.4 气泡脉冲响应θ=π/23×本小节分析双气泡对应的脉冲响应频谱图. 为避免气泡轴向位置对气泡半径振动的影响, 气泡球心连线与轴向坐标轴角度设置为 . 在数值计算过程中, 采用窄脉冲信号, 脉冲宽度为 10−7 s, 脉冲幅度为1 kPa. 在分析次Bjerknes 辐射力影响时, 气泡球心距离设置为8 mm. 图8给出了自由单气泡与次Bjerknes 辐射力影响下的气泡脉冲响应幅频曲线.图8(a)给出了自由单气泡在脉冲激励下的气泡动力学幅频响应图. 不难看出, 气泡1对应的共振频率为16.5 kHz, 与(15)式得到的理论共振频率16.45 kHz 基本一致. 气泡2对应的共振频率为4.1 kHz, 与(16)式得到的理论共振频率4.1 kHz 保持一致. 当考虑两气泡之间的次Bjerknes 辐射力时, 图8(b)为气泡1与气泡2的幅频响应图. 不难看出, 气泡1与气泡2包含了4.1与16.5 kHz 的信号特征. 由于次Bjerknes 辐射力的影响, 气泡1与气泡2的线性动力学过程((11)式和(12)式)可以理解为次Bjerknes 辐射力作用下的受迫振动,使得气泡的频谱响应既包含自身共振频率, 也包含次Bjerkness 辐射力的频谱特征.图9给出了气泡间距为2 mm 时气泡1与气泡2的幅频响应. 由3.2节可以得到, 当气泡间距为2 mm 时, 气泡在次Bjerknes 辐射力的作用下表现为非线性振动, 可以在图9中观察到若干谐波频谱特征. 由于两气泡表现为次Bjerknes 辐射力作用下的非线性受迫振动, 两气泡的频谱特征显著区别于图8所示工况的频率特征. 气泡1与气泡2的频谱不一致反映了非线性次Bjerknes 辐射力的不一致, 符合图4(c)与图4(d)表现的结论. 从图9可以看到, 非线性特征的谐波基频约为17.60 kHz,与线性工况(图8(b))下16.45 kHz 略有区别.Time/ms1/ 10Time/ms2/ 20图 7 50 kHz 声波激励下不同气泡位置对气泡振动过程的影响 (a)三种不同相对位置工况下气泡1相对半径动态变化图;(b)三种不同相对位置工况下气泡2相对半径动态变化图Fig. 7. Effects of different bubble locations on the bubble’s dynamics with the frequency of acoustic excitation being 50 kHz: (a) The radius dynamics of bubble 1 under three different locations; (b) the radius dynamics of bubble 2 under three different locations.频率/HzF F TF F T 图 9 双气泡非线性振动对应的频谱响应曲线Fig. 9. Amplitude-frequency response chart of nonlinear two-bubble dynamics under pulse excitation.需要指出的是, 考虑液体可压缩性特征获得的频谱特征与不可压缩假设下频谱特征((18)式和(19)式)明显不一致. 在当前参数设置下, (19)式的不可压缩双气泡线性系统的共振频率约为124 Hz, 与数值计算结果(图8与图9)不一致.4 结 论针对基于声学理论的管道气泡检测技术问题,本文开展了声波作用下的管道内双气泡动力学建模工作. 在传统自由气泡Rayleigh-Plesset 模型的基础上, 引入可压缩流体次Bjerknes 辐射力, 获得了双气泡耦合动力学模型. 基于该模型, 详细分析了存在次Bjerkness 辐射力时双气泡的线性/非线性动力学特征, 并与自由气泡的动力学特征进行对比分析. 研究结果表明, 次Bjerknes 辐射力使得气泡处于受迫振动, 在线性变化范围内, 任意气泡的动力学幅频数据包含了双气泡所有的频谱信息. 在非线性范围内, 两气泡的频谱特征不一致, 表明次Bjerknes 辐射力在非线性阶段的复杂性. 此外, 相较于线性特性, 非线性气泡振动的基频与自由气泡共振频率不一致, 发生了偏移.本文通过分析气泡球心距离以及气泡轴向位置作用下双气泡系统动力学特征, 表明气泡球心距离对次Bjerknes 辐射力影响明显, 从而显著改变双气泡振动动力学特征. 气泡球心距离越小, 双气泡越趋向于非线性振动. 气泡轴向位置显著影响气泡振动的初始状态. 当外界激励频率与气泡共振频率一致时, 初始状态的不同与次Bjerknes 辐射力形成正反馈过程, 加强了气泡趋向于非线性振动.针对基于声学理论的气泡检测而言, 由于外界声波激励产生的次Bjerknes 辐射力对气泡动力学特征会产生明显的影响, 气泡检测中需要降低次Bjerknes 辐射力的影响. 针对小气泡检测而言, 激励声波的频率要远离待检测气泡的共振频率范围,同时, 激励声波的幅度要相对较小. 除此之外, 激励声波的持续时间也不宜过长, 防止气泡在次Bjerknes 辐射力作用下形成非线性振动, 带来气泡的破裂等. 针对大气泡检测而言, 当考虑利用共振特征进行气泡检测时, 需要防止气泡进入非线性振动导致共振频率的偏移. 针对含有不同半径的气泡检测而言, 激励声波的幅度要相对较小, 同时激励声波应略小于大气泡共振频率, 进而利用共振特征对大气泡进行检测, 同时可以较长时间维持小气泡线性小幅振动.频率/HzF F T /10-3F F T /10-3频率/HzF F T /10-3F F T /10-3图 8 脉冲激励下气泡幅频响应曲线 (a)自由单气泡对应的幅频响应图; (b)气泡间距离为8 mm 下双气泡对应的幅频响应图Fig. 8. Amplitude-frequency response chart of bubble dynamics under pulse excitation: (a) Amplitude-frequency response chart of free single bubble system; (b) amplitude-frequency response chart of two-bubble coupled system with bubble distance being 8 mm.。
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4 2 参数对空化泡运动的影响
4 2 1 频率的影响 选择 R0 = 1 5 %m 的气泡, 在 Pa = 1 9 ! 105 Pa,
∀= 1 ! 10- 3 Pa s 时仅改变激励信号的频率 f a , 研究 其变化对空化泡运动的影响. 随激励频率的增加, 气 泡的最大振动半径减小. 激励频率较低时, 空化泡收 缩有力, 产生较高频率的振荡, 但振荡过程衰减得很 快. 激励频率较高时, 空化泡收缩力度较小, 产生的 振荡也较缓慢, 但振荡持续的过程较长, 衰减很慢.
图 4 不同频率激励的气泡运动波形 R0 = 1 5 %m, P a= 1 9 ! 105 Pa. ( a) f a= 50 kHz, ( b) f a= 1200 kHz
高到 2 0 ! 105 Pa, 气泡振荡程度加剧, 泡壁瞬时运 动速度 V 提高很多, 冲击效应表现得更明显. 随着 激励声压由 1 9 ! 105 Pa 降低到 1 8 ! 105 Pa, 气泡振 荡程度减弱, 冲击现象也明显减弱. 这些都表明每个 空化泡运动过程中均存在一个相应的驱动声压.
-
4
∀
R R
-
Pa sin
at,
( 1)
式中, R0 为气泡初始半径, R 为气泡运动半径, 为
气泡外液体的密度( 常温下 = 1 ! 103 kg m3) , 为
气泡 外液 体 的 表 面 张力 ( 常温 下 = 7 2 ! 10- 2
N m- 1 ) , P0 为气泡外大 气压( 常温下 P 0 = 1 01 ! 105 Pa) , P v 为水蒸气压( 常温下 P v= 2 33 ! 103 Pa) ,
传统细胞组织病理切片的制取中, 脱水、透明、 浸蜡等步骤需要经过长达 30 h 才能完成. 如果刻意 加快脱水、透明、浸蜡等步骤的速度, 会导致细胞收 缩变形, 影响细胞结构的原始形态, 或者会导致组织 块进蜡不完全, 切片变脆易碎. 所以, 常规石蜡切片 法给临床外检快速病理诊断带来很大的困难. 我们 在研究中利用超声作用于细胞组织, 通过提高细胞 膜通透性, 在不破坏细胞原形状结构的前提下, 在较 短时间内制取出高质量的病理切片, 实现临床外检 快速病理诊断, 具有很高的应用价值.
( 南京大学声学研究所, 南京 210093) ( 2006 年 3 月 6 日收到; 2006 年 8 月 9 日收到修改稿)
在超声快速制取组织细胞病理切片的过程中, 发现激励信 号对切片 制取效 果有明 显的影 响. 为 了掌握 超声激 励信号对组织 细胞的影响规律, 达到快 速制取病 理切 片的 最佳状 态, 从气 泡空化 模型 入手, 通过 改变 激励信 号频 率、声压、气泡初始半径和液体黏滞系数等参量, 研究了声 孔效应中气泡动力学激励机制. 数值计 算表明: 空化泡振 动随 激励声压增强而升高, 随液体黏滞系数增强而减弱; 一定频率范围内空化泡振动能 保持在膨 胀、收缩 和振荡的 稳定 空化状态, 存在空化泡稳态振动的最佳激励频率; 一定初始半径能保证空化泡产生 稳定的振 动, 存在 空化泡稳 态振动幅度最大的初始半径. 实际操作中, 在频率、声压、初始半径和黏滞系数综合作用 的若干空 化阈内, 声孔效应 使超声快速法制取细胞组织切片获得最佳效果.
学报
55 卷
内外物质通过细胞膜表面孔状结构的速度. 因此, 实 验通过提高组织脱水 速度达到快速制取切片 的目 的. 这也说明了气泡振荡的剧烈程度与声孔效应的 效果相关.
图 3 气泡半径与泡壁运动速度的变化情况 R0 = 1 5 %m, f a= 200 kHz, Pa= 1 9 ! 105 Pa
图 2 不同初 始半 径空 化泡 可以 产 生非 稳态 空 化过 程 f a = 1000 kHz, P a= 1 9 ! 105 Pa. ( a) 气泡瞬态空化波形, R0 = 9 5 %m; ( b) 气泡振动既非稳态空化也非瞬态空化, R0 = 0 5 %m
关键词: 声孔效应, 超声空化, 气泡振动, 稳态空化域 PACC: 4325, 4335, 4360
1引 言
生物组织和组织液中包含许多微小气泡[ 1] , 微 泡被超声波作用时能产生膨胀、收缩、振荡、崩溃等 空化过程[ 2, 3] , 导致细胞膜表面产生孔状结构, 停止 超声波作用后细胞膜的结构又恢复常态, 孔状结构 消失, 称此现象为声孔效应[ 4] .
4 1 3 气泡振荡产生冲击效应 图 3 显示了 R 0= 1 5 %m 的气泡, 在f a= 200 kHz,
P a= 1 9 ! 105 Pa 的超声激励信号作用时气泡壁运动 速度 V 的变化情况. 气泡收缩阶段随着振荡半径的 减小, 泡壁的运动速度增大, 当气泡振荡半径趋向于 零时, 泡壁运动速度极大, 气泡内的能量被压缩到一 个极小的空间体积内, 气泡外围的压强快速增加形 成高压区. 当气泡从最小半径处反弹时, 外围的高压 区减弱, 同时压强逐渐向周围的液体中传播, 形成对 外的冲击波[ 10] . 冲击效应提高了声孔效应中细胞膜
我们利用声孔效应在不破坏细胞形状结构的前 提下, 成功地提高了细胞膜的通透性, 快速制取了细 胞组织病理切片[ 9] . 为了澄清实验结果, 我们初步研 究了声孔效应作用于细胞组织的动力学机制, 从细 胞组织内外微气泡的空化入手, 建立了微气泡的振 动模型, 详细分析了超声频率、声压、微泡初始半径 和黏滞系数等空化动力参量对微气泡振动的影响.
激励频率很低时, 空化泡振荡过程消失, 空化泡 不再产生径向振动, 如图 4( a) 所示. 随 着激励频率 进一步提高, 空化泡膨胀、收缩和振荡的周期性变化 逐渐消退, 振荡趋向无规律, 如图 4( b) 所示. 这说明 使空化泡产生径向振荡运动的激励频率是一个工作 频带, 最佳激励频率应该处在这个工作频带中的某 些部分, 如 100 ∀ 1000 kHz 频 率带内, 计 算得到 200 和 800 kHz 两个最佳的激励频率. 在激 励信号工作 频带内, 空化泡振动过程中泡壁会产生较高的运动 速度. 在这个工作频带内偏离最佳激励频率后, 泡壁 的最大运动速度下降, 气泡振荡剧烈程度降低. 4 2 2 声压的影响
P a 为超声激励声压, f a = a 2#为超声频率( 声压和
频率均可改变) , ∀ 为液体的黏滞系数( 常温下 ∀= 1 ! 10- 3 Pa s) , != ∃A ( 在本模型中 R0 < 100 %m 的
前提下, A = 1) , ∃为等压比热容与等容比热容的比
值( 在本模型中 R 0< 100 %m 的前提下, ∃= 1 0) . 采
2实 验
实验过程中超声激励信号的声功 率控制在 10 W cm2 以下, 选用 200, 400, 600, 800 和 1000 kHz 5 个 工作频率对同块肝组织的取样标本分别进行超声作 用制取切片. 5 个实验频率经过反复成功制取切片 后, 各步骤所需的平均最少时间的差异如表 1 所列. 比较表内数据发现: 超声工作频率不同导致病理切 片制取的时间不同, 说明声孔效应的效果不同; 作用 于组织块的超声频率并非越高越好, 随实验中所选 频率的降低, 作用效果有时加强, 有时减弱, 总体呈 现出一些加快病理切片制取速度的频率带, 最佳为
选择 R0= 1 5 %m 的气泡, 在 f a= 200 kHz, ∀= 1 ! 10- 3 Pa s 时仅改变激励信号的声压 P a, 研究激励 信号压强的变化对空化泡运动的影响, 结果如图 5 所示. 由图 5 可见, 随着激励声压由 1 9 ! 105 Pa 提
12 期
陈 谦等 : 超声波声孔效应中气泡动力学的研究
* 国家杰出青年科学基金( 批准号: 10125417) 资助的课题. 通讯联系人. E mail: jccheng@ nju. edu. cn
12 期
陈 谦等 : 超声波声孔效应中气泡动力学的研究
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200, 800 kHz 左右的频带.
表 1 不同超声频率下制取切片各步骤的最少使用时间 频率 kHz 固定 min 脱水 min 透明 min 浸蜡 min 总时间 min
4 1 2 气泡非稳态运动 调整超声激励信号的频率、声压或选择不同初
始半径的气泡, 空化泡可以产生瞬态空化过程. 如图
6 47 8
物理
2( a) 所示, R0 = 9 5 %m的气泡加 f a = 1000 kHz, P a= 1 9 ! 105 Pa 的激励信号作用, 气泡产生很短暂的膨 胀、收缩、微振荡过程, 到最终无法承受外界负压时 出现崩溃. 有些气泡在加激励后表现出瞬时压缩、振 荡和小 于 初 始半 径 的 稳 定 径向 脉 动, 例 如 R 0 = 0 5 %m的气泡外加 f a = 1000 kHz, Pa = 1 9 ! 105 Pa 的激励信号, 表现的运动过程如图 2( b) 所示, 此运 动既不属于稳态空化也不属于瞬态空化.
4 1 空化气泡的运动过程特征
4 1 1 气泡稳态运动 选 择 R0 = 1 5 %m 的 气 泡, 用 参 数 为 f a =
200 kHz, P a= 1 9 ! 105 Pa 的超声激励信号作用, 由 图 1( a) 可见此气泡在一个周期内的运动呈现膨胀、 收缩和振荡三个阶段. 整个过程从声场的负压相开 始, 膨胀过程约占整个周 期的 53% , 而 收缩过程非 常迅速, 占整个周期的 12% , 其余部分为振荡过程. 保持超声激励参数不变, 延长激励时间就能使空化 泡继续进入下一个周期的运动, 产生连续膨胀、收缩 和振荡的稳态空化过程, 如图 1( b) 所示.
第 55 卷 第 12 期 2006 年 12 月 1000 3290 2006 55( 12) 6476 06
物理学报
ACTA PHYSICA SINICA
Vol. 55, No. 12, December, 2006 2006 Chin. Phys. Soc.
超声波声孔效应中气泡动力学的研究*