超声空化试验方案
方兴未艾的超声空化技术应用
方兴未艾的超声空化技术应用陈 建(江苏省南通师范学校 226006)1、超声空化及其研究历史和现状超声波与声波一样，是物质介质中的一种弹性机械波，其频率范围为Hz Hz 9410~102⨯，超声波在物质介质中形成介质粒子的机械振动。
当超声波能量足够高时 ,就会产生超声空化现象:液体中的微气泡在声场作用下发生一系列动力学过程，压力波的作用使流体中分子的平均距离随着分子的振动而变化，在超声波纵向传播形成的负压区微气泡产生、生长 ,而在正压区又迅速崩溃、闭合。
理论和实验已证实，空化过程可以把声场能量集中(聚焦)起来，伴随空化泡崩溃瞬间，在空化泡周围的极小空间内产生异乎寻常的高温(>5000K)、高压(>Pa 7105⨯)、强冲击波和射流等极端物理条件，其能量效应和机械效应会引起特殊的物理和化学效果。
1894年英国海军发现螺旋桨转动时有大量气泡产生 ,这些气泡又随即在水的压力作用下收缩内爆 ,致使螺旋桨产生剧烈振动 ,这是历史上首次对于空化现象物理本质的描述。
此后，它成了经久不衰的研究课题。
由于超声空化现象极其复杂，时至今日人们对其还没有完全了解。
近十几年来，非线性声学、声化学的飞速发展和实验技术的进步，大规模地吸引了声学、化学物理、流体力学、等离子体和核物理等许多不同方面的人才参与研究，人们逐渐认识到超声空化及其相关效应的理论价值和巨大应用潜力。
上世纪90年代初，美国科学家在研究单泡空化声致发光时 ,发现了一系列的新奇现象。
如源于分子、离子或原子发出的蓝光 (频率为Hz 14108⨯)的光子能量本来只有3.3ev ，而产生声致发光的典型声压为1atm ,对应于每个原子区域的能量高达101008.1⨯ev ,这意味着声致发光包含了大约1110量级的放大或聚焦过程，而中子引起同位素裂变释放的能量放大也仅为10108.0⨯。
如果能够弄清它的机制，人们就有可能找到一种更广泛地使能量高度集中而又可控的方法。
超声空化组织处理病理诊断
超声空化组织处理病理诊断
超声空化组织处理是指通过超声引导下，使用超声探头在体内将肿瘤或异常组织进行空化处理，并取得相应组织标本进行病理诊断。
这种处理方法主要用于肿瘤治疗和疾病诊断，常见的操作包括超声引导下的穿刺活检、热消融、电和冷冻治疗等。
在超声引导下进行穿刺活检时，医生将超声探头放置在患者身上，通过实时监测和定位，精确地将探针引导到目标组织内，然后进行放射和穿刺，采集组织样本。
这种方法主要用于对肿瘤进行病理分析，以确定其恶性程度和治疗方案。
热消融是一种通过高温来破坏肿瘤细胞的治疗方法。
通过超声引导下，医生将超声探头准确放置在肿瘤附近，然后通过超声波产生的热能来破坏肿瘤组织，达到治疗的效果。
电和冷冻治疗是通过超声引导下，将电流或低温传导到肿瘤组织中，以破坏肿瘤细胞或使其凋亡。
电和冷冻治疗有助于降低肿瘤的体积或对肿瘤进行治疗。
超声空化组织处理主要通过超声引导下的准确定位和操作，使得病理诊断更准确、治疗效果更好，并减少了手术的创伤。
但是，在进行超声空化组织处理前，医生需要对患者的肿瘤进行全面评估，并了解其对超声治疗的适应症和风险。
此外，病理诊断结果也需要经过专业的病理医师进行分析和判断，以确定最适合的治疗方案。
第六章超声空化
3
P
B
P
0
பைடு நூலகம்
P
V
P
0
P
V
2 R0
P0：液体中的静压强；PV：气泡内的蒸汽压；σ ：表面张力系 数、PB 也称为Blake 阈值压强。
重庆医科大学生物医学工程系
Chap. 6 超声空化
6.2 空化阈值与空化核
重庆医科大学生物医学工程系
Chap. 6 超声空化
主要教学内容
6.1 声空化现象的历史 6.2 空化阈值与空化核 6.3 空化泡崩溃需要的时间 6.4 声场中空化泡的运动 6.5 瞬态空化与稳态空化 6.6 空化的检测 6.7 影响超声空化的各种物理参数 6.8 空化效应的研究
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pA w sin wt sin wr t r 2 2 wr R0 ( wr w )
式中的 Wr 是在推导过程中确定的气泡共振角频率。由 wr 2f r 关系式，则可得到半径为 R0 的气泡共振频率为：
1 fr 2R0
1 2 p0 3 R0
Chap. 6 超声空化
6.5 瞬态空化与稳态空化
稳态空化(Steady cavitation / non-inertial cavitation) 瞬态空化(Transient cavitation / inertial cavitation)
重庆医科大学生物医学工程系
Chap. 6 超声空化
6.5 瞬态空化与稳态空化
瞬态空化——当用强度较高的超声波辐照液体时，声场中气泡 的动力学过程变得更为复杂和激烈。在声波的负压半周期内空 化核（微小气泡）迅速膨胀，随后又在声波正半周期内气泡被 压缩以至崩溃。 利用气泡动力学方程6-5： 1. 气泡崩溃时达到的泡壁最大压缩速度 ：
超声波空化效应对体外培养细胞细胞膜作用的实验研究
超声波空化效应对体外培养细胞细胞膜作用的实验研究
超声波空化效应是指超声波通过介质时，介质中的气泡在声波作用下发生膨胀和收缩，在膨胀过程中产生高压和温度升高，而在收缩过程中产生低压和温度降低的物理现象。
这种物理现象可以对细胞膜产生一定的作用。
体外培养细胞的细胞膜是由脂质双层组成的，脂质分子的排列和结构决定了细胞膜的功能和通透性。
超声波空化效应通过对细胞膜的作用，可以改变细胞膜的通透性和结构，从而影响细胞的生物功能。
实验研究中，可以利用超声波作用于细胞，观察细胞膜的变化。
一种常用的方法是利用超声波波束对细胞进行照射，通过测量细胞膜的通透性、离子通道的开闭以及细胞内外物质的交换等指标来评估超声波对细胞膜的作用。
研究发现，超声波空化效应可以改变细胞膜的通透性，增强物质的吸收和排泄能力，并且可以促进细胞内外物质的交换。
此外，超声波空化效应还可以改变细胞膜的结构，增加细胞膜的液态区域，从而提高细胞膜的弹性和可塑性。
然而，超声波空化效应对细胞膜的作用也存在一定的限制与风险。
过强的超声波空化效应可能会引起细胞膜的损伤甚至破裂，导致细胞死亡。
因此，在实验研究中需要控制超声波的强度、频率和时间，以避免对细胞的不必要伤害。
总的来说，超声波空化效应对体外培养细胞细胞膜的作用是一
种有潜力的研究领域，可以用于改善细胞工程、药物传递和基因转染等领域的应用。
然而，仍需要进一步的研究来明确超声波空化效应对细胞膜作用的机制和影响，并完善其在生物医学领域的应用。
超声空化场热释放现象的实验研究_李化茂
收稿日期:2001-11-20基金项目:国家自然科学基金资助项目(19934001)作者简介:李化茂(1942-),男,井冈山师范学院、宁波职业技术学院教授,主要研究方向:超声效应及其应用。
文章编号:1009-671X (2002)11-0056-04超声空化场热释放现象的实验研究李化茂1,2,贺梅英2,王耀俊3,冯 若3(1.宁波职业技术学院,浙江 宁波 315800;2.井冈山师范学院 物理系,江西 吉安 343009;3.南京大学 近代声学国家重点实验室,江苏 南京 210093)摘 要::在1.65MHz 、3W/cm 2的超声空化场中,沿垂直声波辐射方向插入高分子材料ABS 等试验板,板面上即刻出现熔化现象:超声空化场的一种热释放。
若使这种空化场形成超声喷泉,其热释放的效果更加明显。
采用圆柱形套管和圆锥形套管对这种超声喷泉进行聚束喷射,还可加剧这种热释放。
作者认为,大量空化泡塌陷、爆裂时的高温声冲流和高压冲击波是使这种低导热系数试验板热变熔化的主要机制。
超声喷泉中隐含的空化集中作用,以及聚束状态下附加的空化集中作用和声能密度的增加,则进一步增强了这种热释放。
关 键 词:超声空化场;热释放;聚束喷射;空化集中中图分类号:TB566 文献标识码:AExperimental R esearch on the H eat R elease Phenomenonof U ltrasonic C avitation FieldL I Hua mao 1,2,HE Mei ying 2,WAN G Yao jun 3,FEN G Ruo 3(1.Ultras ound Section ,Ningbo P olytechnic ,Ningbo 315800,China ;2.Department of Physics ,Jinggangshan Normal C ollege ,Ji ′an 343009,China ;3.State K ey Lab.of Modern Acoustics ,Nanjing University ,Nanjing 210093,China )Abstract :When a piece of thin test sheet made of large molecular material ,for example ABS ,was vertically immersed in cavitating water ,a horizontal ultrasonic cavitation field with operating frequency of 1.65MHz and acoustic intensity of 3W/cm -2,a melting phenomenon appeared on the face of the sheet.The melting phenomenon was named for the heat release of ultrasonic cavitation field in this paper.Also the heat release could become apparently shouting shoutly if the cavitation field was set to jet upward and seem to be a foun 2tain ,and further could be increased when a cylindrical or cylindroconical plastic or glass tube was used to gather the ultrasonic fountain.The arthors think that both the heat flow with high temperature and the ac 2tion of high -pressure shock wave generated by a great number of cavitating bubbles are responsible for the heat release of the ultrasonic field ,and that the cavitation concentrating effect in the jetting ultrasonic foun 2tain and the increments of acoustic energy density and concentrating cavitation bubbles in the gathering state of the ultrasonic fountain could intensify the heat release effect.K ey w ords :heat release ;cavitation field ;gathering ultrasonic fountain ;cavitation concentration0 引 言超声空化场是液体中大量空化泡不断生长、振动、运动、塌陷、破裂和衍生等动力学行为所波及的空间。
超声空化及絮体破碎过程的模拟与试验分析
超声空化及絮体破碎过程的模拟与试验分析郭璇;杨艳玲;李星;周志伟;马长红;张洋【摘要】为探究利于空化效应的超声条件及超声波破碎絮体机理,基于Matlab平台建立空化气泡模型及2种简化的有限扩散聚集(DLA)絮体破碎模型,进行计算机仿真,并通过试验分析得到实际絮体破碎模式.结果表明:随着超声频率的增加,空化效应减弱;声能密度的增加导致空化气泡振幅增大,声能密度为7W/mL时气泡振幅可达初始半径的200倍,空化效果较好.低声能密(0.03～3W/mL)和低超声频率(25～40kHz)处理絮体时,剥蚀作用为主导作用,超声后絮体粒径减小,分形维数增大;声能密度超过3W/mL或频率大于40kHz,大规模破碎占主导作用,实际絮体粒径减幅小且结构散.40kHz的超声频率更利于絮体的破碎,作用10min后,絮体粒径减幅达9.8％,分形维数为1.394,结构更加密实.【期刊名称】《中国环境科学》【年(卷),期】2015(035)005【总页数】7页(P1429-1435)【关键词】超声;空化效应;数值模拟;有限扩散聚集;絮体破碎【作者】郭璇;杨艳玲;李星;周志伟;马长红;张洋【作者单位】北京工业大学,北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室,北京100124;北京工业大学,北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室,北京100124;北京工业大学,北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室,北京100124;北京工业大学,北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室,北京100124;北京工业大学,北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室,北京100124;北京工业大学,北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室,北京100124【正文语种】中文【中图分类】X703;TU991.2超声技术是近几年兴起的一种新型技术，在水处理及污泥预处理领域得到了广泛应用［1-3］.超声作用的主要机理为空化效应，即液体中的细微气泡被超声波激活、震荡、生长、收缩、破裂的过程［4］.空化效应是一个复杂的物理过程，空化气泡的运动受超声时间、声能密度、频率等多种因素影响［5］，对试验研究造成一定困难.本文根据热力学和运动学理论，对超声场作用下单个空化气泡的运动进行研究，分析得到超声场中气泡运动模型，考察不同频率、声能密度对空化效应的影响，从理论上探讨更利于超声作用的条件.的有效措施之一［6］，但空化效应会破坏絮体结构，改变絮体特性［7］.破碎前后絮体形态学的研究对理解超声破碎机理有重要意义，而在实际操作中很难监测破碎模式及絮体微观结构，可以借助仿真模拟来实现理论与试验的结合.近年来，一些学者借助扩散限制（DLA）模型完成了絮体生长的计算机仿真［8-9］，贺维鹏等［10］研究了破碎再絮凝的DLA絮体模型，但目前还没有关于对于超声破碎絮体的模型的报道.絮体破碎过程中存在两种破碎模式，分别为表面剥蚀和大规模破碎，前者使絮体表面的小颗粒剥落，导致小絮体颗粒浓度及尺寸范围增加，后者使絮体破碎成大小类似的碎片，而不引起小颗粒浓度变化［11-12］.本文基于以上2种絮体破碎模式，提出相应的简化超声破碎模型，在Matlab平台编写二维DLA模型，研究破碎前后DLA虚拟絮体的分形特征及超声破碎机理，同时通过超声基础试验进行分析验证.1.1 超声空化气泡运动过程仿真采用Rayleigh方程［13］的推导方法，并作出以下假设:超声场强度恒定，液体不可压缩且温度恒定，空化泡中的气体为理想气体，气泡壁只做径向运动，气泡运动过程中始终为球形且球心固定，忽略重力，考虑液体黏度和表面张力对气泡运动的影响.由质量守恒、动量守恒公式推导出多参数作用下气泡壁的运动方程:式中:R为空化泡的瞬时半径，m；R0为初始半径，m；R.为空化泡壁上质点的运动速率，m/s；R..为空化泡壁上质点的运动加速度，m2/s；ρ为液体密度，kg/m3；P0为标准大气压，Pa；Pv为空化泡内的蒸气压，Pa；Pa为超声波声压幅值，Pa；σ为液体的表面张力，N/m；k为绝热指数；μ为液体的黏度，Pa·s；ω为超声波角频率，rad/s.通过matlab使用数值迭代法求解方程（1）并进行空化气泡运动过程的模拟.1.2 二维DLA絮体破碎仿真1.2.1 破碎模型建立二维DLA絮体模型的建立与算法见文献［14］.絮体破碎过程可以看作是絮体强度与外界作用力相互竞争的结果.絮体强度的大小取决于絮体颗粒间的键的数量和强度.剥蚀作用中，絮体表面的颗粒在表面切应力作用下脱落，而絮体内部颗粒间的键不受影响［12］，基于以上思想，本文采用文献［10］的方法并加以改进，以圆心为种粒子、半径为Rb1（60、75和90）的圆截已知絮体，以模仿表面剥蚀作用.大规模破碎作用中，施加在整个絮体中的拉应力起作用，破碎过程中絮体内部颗粒间的键被破坏，絮体整体被撕裂［12］，基于以上思想，在原絮体以外的界面随机生成的n个点，作为圆心，以圆心到生长中心距离Rb2为半径画圆截已知絮体，以此模仿大规模破碎作用.1.2.2 参数计算空隙率S计算公式如下［14］:式中:N为凝聚体的粒子数；R为粒子半径；Rg为絮体最大回转半径； xi，yi为第i个粒子的坐标；x0，y0为虚拟质心坐标.为保证模拟絮体与实际絮体参数一致性，采用图像法计算絮体二维分形维数.各条件下进行10次模拟，得10个模拟絮体，通过图像分析软件分析絮体的面积及最大长度，根据絮体投影面积与最大长度的函数关系来计算二维分形维数Df［15］: 式中:A为单个絮体的投影面积；L为单个絮体最大长度；Df为所有絮体的二维分形维数.1.3 试验材料与方法试验污泥为北京市某净水厂沉淀污泥，主要特性指标为温度:28.4℃，pH值:7.60，固体浓度（TS）:3.61g/L，悬浮固体浓度（SS）:2.73g/L，污泥絮体平均粒径:29.241μm，比表面积:80.282m2/g，密度:991kg/m3.超声装置为槽式超声波反应器与探头式超声波反应器.取沉淀污泥15L至槽式装置的反应槽中（250mm×250mm×300mm），输入功率为450W，因其反应槽体积较大，有效声能密度较小，为0.03W/ml，但是超声频率可调范围较宽，因此采用槽式超声装置考察超声频率的影响.考察频率选择为25、40、125和160kHz，这几个频率较有代表性且均可通过超声装置实现.取样时间为超声10min后.探头式超声装置的频率为25kHz，钛合金探头直径18mm，电功率0～1500W可调，本试验采用100、500和700W，对应的声能密度为1、5和7W/mL.取100mL泥样于250mL容量瓶中，将超声探头垂直伸入污泥液面10mm下，保持每次位置一致，作用过程中不控温.取样时间为超声10min后.探头式超声装置的频率为25kHz，钛合金探头直径18mm，电功率0～1500W可调，因其反应容器较小，声能密度较大，但是超声频率可调范围有限，因此使用探头超声装置考察声能密度的影响.本试验采用30、100、300、500和700W的功率，对应的声能密度为0.03、1、3、5和7W/mL.试验中取100mL泥样于250mL容量瓶中，将超声探头垂直伸入污泥液面10mm下，保持每次位置一致，作用过程中不控温.取样时间为超声10min后.1.4 实际絮体形态特征分析通过光学显微镜（Olympus，BX51TF，日本）观察所截取絮体的图像，通过CCD摄像系统对絮体进行拍照，并用imageJ图像处理软件对所截取的絮体的图像、特征长度和投影面积进行分析，按式（4）计算实际絮体二维分形维数.单个絮体粒径可用与投影面积A相等的圆直径d平均值来表征，即:计算所截取所有絮体的当量圆直径d的均值，即为絮体平均粒径.2.1 空化效应模拟试验结果空化效应受介质性质的影响，介质中的颗粒物可能减弱空化效应［4］，但由于净水沉淀污泥固体浓度较低，且密度、饱和蒸汽压等条件与水接近，各参数选择如下:R0=5μm，k=1.33，ρ=1000kg/m3，σ=0.072N/m，μ=0.001Pa·s，P0=101.3kPa，Pv=3.271Pa，初始条件t=0，R=R0，R.=0.为保证模拟试验与超声破碎污泥试验参数的一致性，选取25、40、125和160kHz为考察频率.图1反映了声能密度为0.03W/mL时，不同频率超声波作用下的模拟空化泡半径变化情况，纵坐标R（t）/R0为空化气泡瞬时半径与初始半径的比值，横坐标t/T为超声作用周期.图1中曲线在第1个周期均内有2个波峰，为稳态空化.第2个周期内，不同声频作用的空化气泡振幅有所增加，且均为瞬态空化.声频为25kHz时，空化气泡迅速膨胀，气泡达到共振，振幅可达初始气泡的45倍；超声频率继续增加，空化气泡增幅减小，125和160kHz的超声波作用下，空化气泡最大幅值仅为初始气泡的5倍左右.这是由于一方面，超声频率增大，膨胀相和压缩相时间缩短，气泡在膨胀相来不及生长成可以溃灭的空化泡，或者在压缩相来不及溃灭，导致空化效应难以进行；另一方面，频率大的超声波空化阈值较大，达到同样超声效果需要的声压较大；因此，低频率超声波更利于超声.其他试验条件相同时，应尽量采用低频超声波，以达到较好的空化效果.图2为其他条件不变，超声频率25kHz，声能密度为0.03、1、3、5和7W/mL 的超声波作用下空化气泡变化情况.图2中除曲线1外均为瞬态空化，声能密度越大，气泡生长和溃灭越为激烈，7W/mL时空化气泡振幅可达初始半径的200倍.随着声能密度的增加，介质中超声波能量增加，负压区拉伸作用加强，空化泡生长迅速；正压区的挤压作用加剧，空化气泡迅速溃灭，气泡运动剧烈.声能密度大的超声波更有利于空化效应.2.2 DLA虚拟絮体破碎模拟试验结果2.2.1 剥蚀作用模拟结果超声空化气泡破裂时产生冲击波冲击固体表面，发生侵蚀、剥落作用，使絮体颗粒变小［16］.由2.1节超声空化效应的仿真结果可知，声能密度大、频率低的超声波易发生空化效应，利于破解污泥.现以破碎半径Rb的大小表示超声波破碎虚拟絮体的程度，进行剥蚀作用破碎絮体的计算机仿真.图3反映了总凝聚颗粒数为10000、Rb为90、75、60时，破碎前后的虚拟絮体形态.由图3可知，破碎后絮体的骨架未被破坏，有明显的几何中心；絮体不规则枝杈减少，形状更加规则，粒度减小.破碎后絮体的分形维数Df随破碎半径Rb1的增加而增大，空隙率减小，回转半径内颗粒填充度增加，絮体结构变紧密.Rb1=60时，空隙率S降至0.476，减幅达45.4%；Df由1.327增至1.488，增幅仅为8.5%，小于空隙率增加速率.空隙率的大幅度减小未引起絮体结构和致密性的改善，说明靠近虚拟絮体中心的颗粒对Df的影响更大，不规则分支则对空隙率的影响更大.贺维鹏［10］研究发现破碎后虚拟絮体的不规则分枝明显减小，粒度变小的同时分形维数增加，且絮体质心附近颗粒的空间分布对虚体结构的影响更加重要，与本文结论相同.试验研究了不同总凝聚颗粒数（5000～10000）的虚拟絮体剥蚀作用破碎前后的形态特征变化，发现分形维数与空隙率的变化规律基本相似.2.2.2 大规模破碎作用模拟结果超声空化气泡破裂产生的强力流体剪切力，对絮体结构产生巨大破坏，絮体被击散，尺寸减小［16］.图4为仿真得到的总凝聚颗粒为10000时，大规模破碎作用后的絮体.破碎后模拟絮体的粒径减小，不规则枝杈减少，结构较原絮体更加松散；絮体各向同性特征基本消失，表现为各向异性.总凝聚颗粒数5000～15000的虚拟絮体二维分形维数随破碎次数n（1～4）的变化如图5所示.经一次大规模破碎后，絮体破碎成两个部分，最大长度几乎不变，而投影面积减幅大，絮体更加不规则，导致分形维数由1.287～1.392减小至1.172～1.202.随着破碎次数的增加，絮体分形维数继续减小，但曲线渐趋平缓，一次破碎对絮体结构的破坏影响较大.2.3 超声波破解污泥絮体试验结果采用探头式超声装置考察实际絮体经不同声能密度（0.03、1、3、5和7W/mL）的超声波作用后，絮体粒度与结构的变化结果如图6所示.随着声能密度的增加，絮体平均粒径不断减小，分形维数则是先增大后减小.超声过程中，两种破碎模式共同起作用.声能密度为0.03～3W/mL时，占主导作用的是剥蚀作用，空化气泡破裂冲击絮体颗粒表面，絮体表面的小颗粒脱离絮体，絮体粒径减小，分形维数增大，絮体结构更加密实.声能密度增加到3W/mL以上，絮体破碎更加明显，结构被破坏，分形维数降低.此时大规模破碎为主导作用，空化气泡破裂产生的强水喷射流，形成巨大水力剪切力［17］，絮体被打碎，污泥中小颗粒数目整体增加，且絮体结构变得松散，不利于沉降.声能密度越高，絮体破碎越明显，超声空化效应容易发生，与2.1节超声空化气泡运动模拟结果相符.图7为超声频率对实际絮体粒度及结构的影响.由图7可知，40kHz的超声频率更利于超声破解污泥，且超声后的污泥絮体分形维数最大，絮体内填充程度高，更加规则.超声频率继续增大，絮体粒径增加，这可能是因为一方面空化效应随超声频率增加减弱，不利于絮体破碎，絮体粒径减小缓慢；另一方面，超声波海绵效应促使水从絮体内部沿波面传播时产生的通道通过，使污泥颗粒凝聚，尺寸增大，增加到一定程度后相互碰撞凝结［18］，絮体粒径增加.由分形维数的变化趋势可以推测，超声频率小于40kHz时，剥蚀破碎为主导作用，经超声破碎后絮体变得密实、规则；大于40kHz时，空化效应减弱，大规模破碎作用增强，与海绵效应共同作用，导致絮体粒径减幅小且结构松散，破解效果较差.空化气泡模拟结果显示频率小的超声波更利于空化效应的发生，实际结果则显示40kHz为最佳破碎频率，可能的原因是超声波在污泥介质传播时伴随着能量的衰减、扩散，污泥吸收的超声能量小于输入值；另外超声破碎污泥是空化效应、海绵效应、机械效应等共同作用的结果，40kHz的超声波可能更利于机械效应等的发生.3.1 超声空化气泡运动过程仿真结果表明:超声频率与声能密度均对空化效果产生影响.超声频率越大，形成的空化气泡振幅较小，空化效应减弱.声能密度较大时，介质中的空化气泡运动剧烈，空化效应增强.3.2 DLA虚拟絮体破碎模拟试验结果表明:剥蚀作用后，虚拟絮体粒径减小，分形维数增大，孔隙率减小；絮体形状更加规则，内部填充程度增大.大规模破碎作用后，虚拟絮体粒径与分形维数均降低，絮体变得小而松散.3.3 超声破碎实际絮体实验结果表明:声能密度较低时，剥蚀作用为主导作用，超声后实际絮体粒径减小，分形维数增大，结构更加密实；声能密度超过3W/mL，大规模破碎占主导作用.超声频率较低时，剥蚀作用为主导作用.40kHz的超声频率处理实际絮体后，絮体粒径减幅大、结构密实.频率大于40kHz，剥蚀作用减弱，大规模破碎作用增强，实际絮体粒径减幅小且结构松散.【相关文献】［1］Pilli S， Bhunia P， Yan S， et al. 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Communications in Theoretical Physics， 2012，58（6）:895-901.［10］贺维鹏，南军，施周，等.絮体破碎过程的仿真及试验分析［J］. 中国环境科学， 2013，33（10）:1779-1784.［11］Mikkelsen L H， Keiding K. The shear sensitivity of activated sludge: An evaluationof the possibility for a standardised floc strength test ［J］. Water Research， 2002，36（12）:2931-2940.［12］Jarvis P， Jefferson B， Gregory J， et al. A review of floc strength and breakage ［J］. Water Research， 2005，39（14）:3121-3137.［13］Rayleigh J W. On the Pressure developed in a liquid during the collapase of a spherical cavity ［J］. Philosophical Magazine，1917，34（200）:94-98.［14］蒋文天，邱祖民.絮凝体DLA模型仿真及其废水处理［J］. 计算机与应用化学， 2009，26（2）:233-239.［15］Chakraborti R T， Atkinmin J F， Van B， et al. Characterization of alum floc by image analysis ［J］. Environmental Science and Technology， 2000，34（18）:3969-3976.［16］宋新南，刘莉红，侯李平，等.超声破解对污泥表面性质的影响［J］. 江苏农业科学， 2012，40（1）:329-331.［17］薛玉伟，季民，李文斌.超声功率对超声破解污泥的影响［J］.化工学报， 2007，58（4）:1038-1041.［18］张光明，常爱敏，张盼月.超声波水处理技术［M］. 北京:中国建筑工业出版社，2006:146-147.。
双频超声空化效应强化提取中药有效成分的实验研究
提取植物药有效成分， 但单频超声因其声场不够均 匀， 较易产生驻波， 影响提取效果。
近几年， 关于双频超声强化声化学反应的研究 已 有 报 道 ［１］， Ｍａｎｉｃｋａｍ Ｓｉｖａｋｕｍａｒ 等 ［２］ 研 究 了 多 频 超声 硝 基 酚 降 解 的 动 力 学 ， Ｋ．Ｍ．Ｓｗａｍｙ 等［３］ 发 现 双 频超声强化可以提高金属中铜的提取率。研究表明 双频超声同时辐射能显著地增加空化效果， 减少驻 波所造成的死角， 提高声化学产额［４］。我们在单频超 声强化提取的研究基础上［５，６］， 设计了 ２５ｋＨｚ 和４０ｋＨｚ 的双频超声提取装置， 研究双频超声强化的空化效 应及提取黄柏中的小檗碱。
声、单频超声电功率均为 ８０Ｗ， 超声作用时间 ５ｍｉｎ。 源自 ２５ｋＨｚ／４０ｋＨｚ
２５ｋＨｚ
４０ｋＨｚ
图 ４ 温度对碘化钾溶液中碘释放量的影响 Ｆｉｇ．４ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｎ ｉｏｄｉｎｅ ａｍｏｕｎｔ
３．２ 双频超声提取中药有效成分的研究 （ １） 不同超声强化方式的提取率 实验条件： 提取温度为 ３０℃， 双频超声、单频超
１引言
中药提取的新技术有超临界萃取、微波提取、超 声提取等。超临界萃取的设备比较昂贵， 微波提取 适用于热稳定性成分的提取， 超声提取因其设备简 单， 强化效果好， 倍受关注。目前主要应用单频超声
收稿日期： ２００５－０１－０５； 修回日期： ２００５－０４－１０ 基金项目： 广东省科技计划项目（ ２００３Ｂ３１７０９） 作 者 简 介 ： 曾 荣 华 （ １９７８－） ， 女 ， 江 西 人 ， 硕 士 研 究 生 ， 研 究 方 向 ： 天 然
Ｈ２Ｏ 超声 ·Ｈ ＋ ·ＯＨ； ２ＯＨ·
超声空化效应降解抗生素废水研究
超声空化效应降解抗生素废水研究1. 引言1.1 研究背景抗生素在医疗领域扮演着重要角色，然而，抗生素的广泛使用也导致了抗生素废水的排放，对环境和人类健康构成潜在威胁。
目前，抗生素废水处理技术主要包括物理化学方法和生物方法，但是存在着处理效率低、成本高和产生二次污染等问题。
因此，寻找一种高效、低成本的废水处理技术势在必行。
超声空化效应是一种新型的物理方法，在废水处理中具有很大的潜力。
超声空化效应是指当液体中受到超声波的作用时，会产生空化现象，即在液体中形成小气泡和负压区域，在气泡破裂时释放出高温高压的能量，这种能量可以破坏有机污染物的化学键，实现废水的降解。
针对目前抗生素废水处理存在的问题，本研究旨在探究超声空化效应在降解抗生素废水中的应用。
通过实验研究超声空化效应的原理和在废水处理中的机制，探讨影响超声空化效应降解抗生素废水的因素，进一步探讨超声空化效应在降解抗生素废水中的优势，并展望未来的研究方向。
通过本研究，将为抗生素废水处理技术的提升提供新的思路和方法。
1.2 研究目的本研究的目的是通过探究超声空化效应在降解抗生素废水中的应用，寻找一种高效的处理方法，以减少对环境的污染。
随着全球抗生素使用量的增加，抗生素废水排放也相应增加，给环境和人类健康带来了严重的风险。
因此，寻找一种能够高效去除抗生素残留的方法显得尤为重要。
超声空化效应作为一种新型的物理化学方法，具有高效、无二次污染和操作简便等优点，被广泛应用于废水处理领域。
本研究旨在通过对超声空化效应降解抗生素废水的方法及其原理进行深入研究，为解决抗生素废水污染问题提供新思路和技术支持。
我们希望通过本研究，可以为抗生素废水处理领域的发展提供可靠的技术手段，为减少水体污染、改善环境质量做出贡献。
1.3 研究意义抗生素在医疗和养殖领域广泛应用，导致抗生素废水的排放量逐年增加，严重污染水环境，对生态系统造成严重危害。
研究如何高效降解抗生素废水具有重要的应用价值和实践意义。
超声空化效应降解水中头孢菌素的研究
超声空化效应降解水中头孢菌素的研究摘要：超声空化技术对抗生素废水的降解效果取决于多项因素，包括声波频率、声压级、处理时间、废水pH值、温度等。
适当的声波条件可以促使抗生素分子的断裂和氧化反应，进一步降解和去除废水中的抗生素。
不同种类的抗生素在超声空化过程中的降解效果可能存在差异，本文研究该技术对废水中其他有机污染物的去除效果，在实验中针对具体废水样品进行实验和优化，以确定最适合的超声空化参数和条件。
关键词：废水处理；超声空化作用；头孢菌素山东协和学院2023年实验室开放项目《超声空化效应降解水中头孢菌素的研究》项目编号：2023SYKF35引言超声空化是一种物理处理技术，通过高强度声波的作用产生气泡，当气泡迅速膨胀和坍缩时，会在液体中产生剧烈的冲击力和高温高压区域，从而实现对废水中污染物的去除。
对于抗生素废水中的抗生素残留物，超声空化技术可以在一定程度上进行降解和去除。
超声空化降解抗生素废水的过程中，声波的作用会导致液体的剧烈振荡和气泡的形成与坍塌。
这种振荡和气泡形成与坍塌的过程可以产生高温高压、激波、剧烈液流等物理效应，从而破坏抗生素的分子结构或使其溶解在水中。
此外，超声空化技术通常作为废水处理中的一部分，与其他处理方法（如生物处理、化学氧化等）结合使用，以达到更好的处理效果和综合去除废水中的抗生素和其他污染物。
综合应用多种处理方法可以提高废水治理的效率和彻底性。
需要注意的是，抗生素废水是一个复杂的环境问题，除了技术手段，还需要政府、行业和社会各方的共同努力，采取综合的管理和控制措施，从源头减少抗生素的使用和排放，以及加强废水处理和监管，以减少对环境和人类健康的潜在影响。
1 实验材料主要仪器设备：紫外可见分光光度计2台、数显 pH 计2台、电子分析天平4台、BOD5 测定仪1台、电热恒温水浴锅1台、超声波细胞粉碎机1台等。
实验耗材：氢氧化钠10瓶、头孢克肟分散片1包、蒸馏水2桶等。
2 实验内容及结果分析分析溶液pH值、超声波功率，溶液浓度以及温度等因素对超声空化效应降解头孢菌素的影响，通过动力学拟合结果对各影响因素进行比较，得出最佳的工艺条件。
大铸锭铝熔体中超声振动系统空化区域分析及实验研究
大铸锭铝熔体中超声振动系统空化区域分析及实验研究董方;李晓谦;张敏【摘要】Vibration test was done for a piezoelectric ultrasonic transducer for casting by laser range finder, the displacement amplitude distribution of end and cylindrical surface was obtained through amplitude spectrum correction for the vibration series based on interpolation method, and cavitation erosion test with different depths of the ultrasonic horn was immersed in the solution of aluminum and water. Finite element methods was used to carry on the numerical simulation cavitation. The results show that the current in the resonant points below the vibration system is more stable, and it is not easy for acoustic streaming effect. The experiments of ultrasonic casting of aluminium alloy were carried out when the depth of ultrasonic vibration was applied on melt. The max amplitude of transverse vibration reaches 1/2 of the longitudinal vibration amplitude and the peak of transverse vibration appears above the end surface 15−55 mm. When the depth of vibration increases, the cavitation area was reduced. Cavitation simulation results are in good agreement with the experimental results.%根据比值校正法利用激光测距仪对超声系统辐射杆振动进行测试，其结果进行幅值谱校正后得到辐射杆位移幅值分布，分别对超声变幅杆浸入铝溶液及水中不同深度进行空蚀分布实验，运用有限元法对水及铝熔体中空化区域进行模拟。
HIFU技术中的超声空化及空化增强效应研究进展精
Progress of ultras onic cavitati on and cavitatio n -in duced enhan ceme nt effectin high inten sity focused ultraso undREN X i ao -l o ng , ZH O U X i ao -do ng *(D ep ar tme nt o f Ultr aso und , X ij ing H osp ital , the Four th M ilitar y M edical Univ er sity , X i ' an 710032, China [Abstract] U ltr asonic cav itation is o ne of pr edo minant mecha ni sms in high inten sit y focused ultr aso und (H IFU tr eatme nt. Eff icie nt ly -in duced ultr asonic cav itati on can be used to in crease the co agulat ed vo lume and enhance the ther apeutic efficie ncyof H IFU. Rece nt studies hav e show n that micro bubble co ntr ast ag ents ar e impo rtant facto rs in enhancing the therapeut ic ef -ficiency o f H IFU. T hey have po tent ial to act as cav itation nuclei and ar e likely to low er t he tissue damag e thr eshold and cause a g reater coag ulated vo lume. A long with the development of H IFU efficiency enhancement studies, HIF U will be mo re effec -t ive and pow erful in clinical tumo r tr eat ment.[Key words] H ig h inten sity focused ultraso und; Con trast media, microbubbles; Cav itation; I mag e enhancementHIFU技术中的超声空化及空化增强效应研究进展任小龙综述，周晓东*审校(第四军医大学西京医院超声科，陕西西安710032[摘要]超声空化效应是高强度聚焦超声(HI FU治疗中的重要效应之一，有效诱导并且利用超声空化效应可以增加HIF U辐照后的组织凝固范围和提高HIF U疗效。
《超声磁场空化辅助液体喷射抛光装置设计及实验研究》
《超声磁场空化辅助液体喷射抛光装置设计及实验研究》一、引言随着制造业的不断发展，对工件表面质量和处理精度的要求越来越高。
传统的抛光技术虽能有效提高表面粗糙度，但在高精度处理过程中往往效率较低，效果不够理想。
为此，我们设计了一种新型的超声磁场空化辅助液体喷射抛光装置，旨在通过引入超声和磁场技术，提高抛光效率及效果。
本文将对该装置的设计思路、设计方案以及实验结果进行详细的阐述和分析。
二、抛光装置设计思路与原理1. 设计思路本装置设计的主要思路是结合超声振动和磁场效应，通过空化作用辅助液体喷射，实现对工件的快速高效抛光。
设计过程中，我们充分考虑了装置的稳定性、操作便捷性以及抛光效果等因素。
2. 工作原理该装置利用超声振动产生的高频振动能量，结合磁场的磁力线作用，使液体在工件表面形成空化效应，从而增强抛光液的渗透力和抛光效果。
同时，通过精确控制的液体喷射系统，实现高效、均匀的抛光处理。
三、抛光装置设计方案1. 超声振动系统设计设计包括超声振动发生器、变幅杆及固定装置。
发生器产生高频振动信号，经过变幅杆放大后作用于工件表面，实现超声振动。
2. 磁场系统设计磁场系统包括磁力发生装置和磁场导向装置，通过产生稳定的磁场，与超声振动系统协同作用，增强空化效应。
3. 液体喷射系统设计液体喷射系统包括高压泵、喷嘴和流量控制装置。
高压泵提供足够的压力，使抛光液通过喷嘴均匀喷射到工件表面。
流量控制装置则确保液体喷射的稳定性和均匀性。
4. 控制与操作界面设计为方便操作和监控，设计了人性化的控制与操作界面，可实时调整各系统的工作参数，如超声振动频率、磁场强度、液体流量等。
四、实验研究1. 实验材料与方法选用典型工件进行实验，通过改变超声振动频率、磁场强度和液体流量等参数，观察抛光效果及效率的变化。
2. 实验结果与分析实验结果表明，该装置在适当的参数设置下，能显著提高抛光效率及效果。
随着超声振动频率和磁场强度的增加，空化效应增强，抛光液渗透力提高，工件表面粗糙度降低。
超声诊疗一体机VINNO 70空化调控功能及声学测量的研究
·实验研究·超声影像诊断的最大优势是安全性好，原因是超声诊断仪的能量输出限制在平均声强（I SPTA）720mW/cm2、机械指数（MI）1.9以内，其热效应和空化机械效应均较弱［1］。
但若循环中存在超声造影剂微泡，诊断超声超声诊疗一体机VINNO70空化调控功能及声学测量的研究张毅冯爽唐娜娇王亚辉凌涛陈惠人刘政摘要目的探索新型超声诊疗一体机VINNO70的空化调控功能及其测量相关声学参数的情况，研究自适应可变焦域技术靶向击破微泡的能力。
方法利用薄膜水听器法测量X4-12L线阵探头和S1-8C凸阵探头对超声频率（f）、脉冲宽度（PL）、脉冲重复频率（PRF）的实测值，验证其与仪器显示值的一致性；重点测量探头距换能器表面2cm和5cm处感兴趣区内的峰值负压（PNP），计算对应的机械指数（MI），并与仪器显示值比较。
分析自适应可变焦域技术靶向击破微泡的能力，记录微泡击破程度。
结果X4-12L线阵探头与S1-8C凸阵探头的f、PL及PRF实测值与仪器显示值均一致。
MI实测值与仪器显示值有较大差距（58%~267%），且f与测量距离均可以影响MI值。
自适应可变焦域技术具有明显的超声弱聚焦性能，感兴趣区内微泡击破明显。
结论超声诊疗一体机VINNO70能准确调控多个空化相关参数；自适应可变焦域技术可靶向击破感兴趣区内微泡。
MI实测值与显示值差别较大，治疗时应以实测值为准。
关键词诊断超声；治疗超声；空化效应［中图法分类号］R445.1［文献标识码］AResearch on cavitation modulation and acoustic measurement of VINNO70integrated ultrasound theranostic systemZHANG Yi，FENG Shuang，TANG Najiao，WANG Yahui，LING Tao，CHEN Huiren，LIU ZhengDepartment of Ultrasound，Xinqiao Hospital，Army Medical University，Chongqing400037，ChinaABSTRACT Objectives To investigate the cavitation modulation of VINNO70integrated ultrasound theranostic system and its acoustic parameters measurement，as well as the adaptive variable focus technique for targeted microbubble destruction.Methods The frequency（f），pulse length（PL），pulse repetition frequency（PRF）were measured by thin film hydrophone method to verify their consistency with the values displayed by the instrument.Similarly，the peak negative pressure （PNP）in the region of interest（ROI）2cm and5cm away from the transducer surface were emphatically measured to calculate the corresponding mechanical index（MI），and they were compared with the values displayed by instrument.Microbubble destruction was recorded to analyze the adaptive variable focus technique.Results The values of f，PL and PRF of linear array probe X4-12L and convex array probe S1-8C were consistent with those displayed by the instrument.There was obvious difference between MI and the value displayed by the instrument（58%~267%），and MI was affected by f and the distance to the transducer.The adaptive variable focus technique had weakly focusing performance，and the microbubble in ROI was obviously broken.Conclusion VINNO70integrated ultrasound theranostic system can accurately regulate several cavitation related parameters，and the adaptive variable focus technique can target and break the microbubbles in ROI.Due to the difference between the measured value and the displayed value of MI，the measured value should be prevail considered during treatment.KEY WORDS Diagnostic ultrasound；Therapeutic ultrasound；Cavitation基金项目：国家重点研发计划数字诊疗装备研发重点专项（2017YFC0107300）；重庆市首席医学专家；重庆市英才计划作者单位：400037重庆市，陆军军医大学附属第二医院超声科通讯作者：刘政，Email：*****************可能产生一定的生物学治疗效应［2］，主要包括微血管壁或组织通透性增高、血脑屏障开放、促进靶向释药等［3］。
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J I A N G S U U N I V E R S I T Y
学院：京江学院
班级： J食品1402
姓名：季越
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超声波空化的定义
当超声波能量足够高时，就会产生“超声空化”现象，即指存在于液体中的微小气泡（空化核）在超声场的作用下振动、生长并不断聚集声场能量，当能量达到某个阈值时，空化气泡急剧崩溃闭合的过程。
当超声波能量足够高时，就会产生“超声空化”现象，即指存在于液体中的微小气泡（空化核）在超声场的作用下振动、生长并不断聚集声场能量，当能量达到某个阈值时，空化气泡急剧崩溃闭合的过程。
空化气泡的寿命约0.1μs，它在急剧崩溃时可释放出巨大的能量，并产生速度约为110m/s、有强大冲击力的微射流，使碰撞密度高达1.5kg/cm2。
空化气泡在急剧崩溃的瞬间产生局部高温高压（5000K，1800atm），冷却速度可达109K/s。
超声波这种空化作用大大提高非均相反应速率，实现非均相反应物间的均匀混合，加速反应物和产物的扩散，促进固体新相的形成，控制颗粒的尺寸和分布。
超声空化在工程材料领域的研究
目前,超声波技术的应用已经深入到社会生活的各个领域,基本上都是对超声波某一特性的应用,而其中更多的或是相当一部分是利用超声波空化原理实现的。
超声空化在各方面的应用
1. 在清洗方面的应用
超声波空化在脱脂去污方面有着非常广泛的应用。
气泡在被压缩崩溃时产生的高温高压冲击波减小了污垢与被清洗件
之间的黏着力,引起污垢的破坏和脱离;同时,气泡还可以“钻入”缝隙和裂缝中作振动,使污垢脱落,因此适用于复杂形状零件的清洗。
此外,超声波空化在固体和液体表面产生高速的微声流,能够破坏污物,进一步除去和削弱边界污层,加速清洗。
2.在电镀工业中的应用
超声波空化应用于电镀,主要作用有:
1)空化产生的冲击波对电极表面进行彻底清洗;
2)超声波空化作用使氢气形成空化泡,从而加快氢气的析出;
3)超声波空化所产生的高速微射流强化了溶液的搅拌作用,加强了离子的运输能力,减小了分散层厚度和浓度梯度,降低了溶液极化,加快了电极过程,优化了电镀操作条件。
实验表明,超声波空化不仅提高了镀覆速度和效率,同时也提高了镀层的质量,它必将在工业生产中发挥越来越大的作用。
3.超声波空化作用在微细粉体材料制备中的应用
金属有机物超声热分解法是利用超声空化作用产生的局部高温环境对金属有机物或络合物进行高温分解,用于制备金属单质或金属合金。
Kol-typin等人将Ni(CO)4和Fe(CO)5溶液超声热分解分别制得了粒径10nm的无定型Ni粉和Fe 粉。
王平等人尝试了用超声波空化加机械研磨的方法来制备超细微粉,试验结果得到了纳米级的颗粒,这表明,超声波空
化所起的作用非常明显,对传统的机械研磨有很好的助磨作用
超声空化对金属材料力学性能的影响
近年来,随着非线性声学的快速发展和实验条件的改善,空化的应用潜力和理论价值,使声空化应用的研究又一次成为声学中的焦点。
空蚀是最引人注目的一种空化作用。
并不是所以空化现象都会有空蚀的发生,只有当超声波振幅达到一定程度时,才会出现空蚀破坏。
空蚀可以破坏任何材料,包括金属和玻璃、陶瓷等非金属材料。
空蚀现象不仅出现在螺旋桨、轮船推进器上,而且出现在深水中服役的设备上,如潜艇、管道等。
随着舰船、水轮机等流体机械不断向高速度、大功率方向发展,空蚀问题变得更为复杂,也对材料的抗空蚀性能提出更高要求。
空蚀对金属材料有强大的破坏作用,将威胁到人民的生命财产。
目前,人们在利用空化效应的同时又不得不面对空化带来的破坏。
那么怎样才能提高材料的力学性能,减少空蚀带来的灾害,材料的力学性能与空蚀有怎样的关系呢?
研究步骤：
1、研究不同空蚀时间对空蚀率的影响。
同种材料不同振幅时,空蚀率随空蚀时间而变化。
空蚀率的变化规律是先增大后减小,然后随着空蚀时间的增长,空蚀率趋于某一定值。
2、研究振幅对空蚀率的影响。
空蚀率随着振幅的增大而增大,不同材料增大程度不同。
在振幅
较小时,铝试件的空蚀率变化较慢,空蚀率较小,抗空蚀程度较高。
钢试件的空蚀率变化较快,空蚀率较大,抗空蚀程度较低。
在振幅较大时,铝试件的空蚀率变化较快,空蚀率较大,抗空蚀程度较低；钢试件的空蚀率变化较慢,空蚀率较小,抗空蚀程度较高。
3、研究空蚀前后,材料表面形貌的变化。
超声波处理前材料表面形貌比较均匀,超声波处理后材料表面出现明显的空蚀坑和空蚀沟壑。
4、研究空蚀时间对金属材料抗拉强度的影响。
空蚀时间越长,对材料的抗拉强度影响越大。
5、研究超声波振幅对金属材料抗拉强度的影响。
在t=2h时,振幅越小,对材料抗拉强度的影响越小。
6、比较超声波处理前后材料的抗拉强度。
超声波处理后材料的抗拉强度明显降低。
不管是在同一空蚀时间下还是在同一振幅下,空蚀后材料的抗拉强度比空蚀前都有所降低。
1.超声空化场力学特性测量方法研究
2.空化泡动力学研究
3.空化产生机理研究
结论
超声空化伴随着多种物化效应，研究的角度和方法很多，更多的研究成果伴随着技术提高产生。