气泡体积比对流体中超声声场分布的影响

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1、维普资讯http://www.cqvip.com华南理工大学学报(自然科学版)第36卷第8期JournalofSouthChinaUniversityofTechnologyVo1．36NO．82008年8月(NaturalScienceEdition)August2008文章编号：1000—565X(2008)08—0128—04气泡体积比对流体中超声声场分布的影响米彭健新周光平梁召峰(1．华南理工大学理学院，广东广州510640；2．深圳职业技术学院电子工程系，广东深圳518055)摘要："-3超声作用于装有液体的有限容器中时，液体中的气泡对超声辐射具有一定的阻尼作用．文中通过分析和比

2、较流体中的超声声场分布，探讨气泡体积比对流体中超声声场分布的影响．结果表明，考虑空化泡在流体中引起的阻尼效应的计算结果与铝箔腐蚀实验结果比较相符，有限容器内流体中的气泡体积比对流体中的超声声场分布有重要影响．当流体中气泡体积比小于作用于流体中的超声波频率对应的阈值时，可以在稳态线性声波波动方程基础上作进一步计算以得出流体中的超声声场分布，否则计算结果与流体中的实际声场分布差异较大．关键词：气泡；体积比；阻尼效应；超声空化；超声场模拟中图分类号：0426．9；TB559文献标识码：A目前，功率超声已被广泛运用于不同的领域，如气泡对超声波在流体中的辐射具有一定的阻尼作超声清洗、超声处理、声化学

3、、超声治疗等，这些应用，所以本研究中采用数值计算和实验测试结合的用都与超声作用于流体时所产生的超声空化现象有方法对容器中液体在超声作用下的声场分布进行研关。超声空化所引发的物理、机械、热效应、生物效究，初步研究气泡的体积比对声场分布的影响，探讨应、化学效应等具有广阔的应用潜力¨．通常，大功采用两种数值计算方法计算流体中超声声场分布的率低频超声应用于装有液体的有限容器中，例如超可行性．声清洗槽和声化学反应器，这时容器中会形成复杂1流体中超声声场计算的声场．掌握声场分布的信息对于衡量超声系统的性能及超声处理效果至关重要．由于超声空化现象当用超声波处理容器内的液体，且声压达到一涉及诸如液体、声场

4、及外界环境等多方面的条件因定阈值时，液体中的气泡会产生空化．为了计算空化素，因此很难从宏观上定量地对超声空化声场进行产生后的超声声场分布，对超声波作用下的流体中理论分析，主要是从一些效应出发，在实验基础上定的气泡运动方程进行简化，并将流体中气泡空化产性地对低频超声声场进行研究。J，或在微观上对气生的阻尼作用计入声波动方程¨m“J．对非粘滞性、泡动力学进行理论分析H．近年来，随着计算技术可压缩的流体，超声波在流体中传播的声波动方程的发展，涌现出一些对超声空化声场数值分析的研为㈣]究，通过对容器内介质作一些近似和假设，采用+2，：V2p(r,t)(1)数值方法计算容器内的超声声场分布．容器内液

5、体ou超声声场的模拟仿真将是功率超声研究的一个新的式中：r，t分别为空间和时间坐标；p为气液混合流体重要部分，它对指导超声换能器的设计、提高超声系中的压强；为复波数，k=o#c，为声波的角频率；统的性能及其处理效果有重要意义．由于液体中的O／=c⋯，ci为声波在气液混合流体中的传播速收稿日期：2007—07—09基金项目：国家自然科学基金资助项目(10574094)作者简介：彭健新(1968一)，男，博士，副教授，主要从事声场的数值模拟、室内声学研究．E—mail：phjxpeng@163．corn维普资讯http://www.cqvip.com第8期彭健新等：气泡体积比对流体中超声声场分

6、布的影响129度，O／为空化泡在流体中产生的阻尼系数．垂直浸入盛有水的槽体内，15s后取出，由于声场越一些研究者根据气泡运动方程计算流体中强铝箔被腐蚀的越严重，铝箔不同地方被腐蚀的情气泡的半径对时间的一阶和二阶导数，然后将其耦况就反映了该位置处声场的强弱．合到声波波动方程中．例如Lewis等采用下面形图2为根据式(1)采用时域有限差分方法计算式的声波波动方程：得到的容器内气泡均匀分布时的声场分布与超声作用下铝箔片在水中腐蚀结果的比较．图2(a)为根据P警+．f-7p+g)_0(2)lC1、1／线性声波波动方程计算得到的稳态超声声场分布，式中：p为流体密度；q为体积源；c。为声波在流体图2(

7、b)为体积比=2×10且气泡均匀分布时水中的传播速度．当声源作简谐振动时，式(2)可简化中声场分布结果，图2(c)为体积比：1．2×10为Helmhohz方程．时的水中声场分布结果，图2(d)为超声波作用下为了提高计算速度和计算效率，在计算流体中铝箔片在水中腐蚀结果的纵向视图．超声声场时，对诸如式(2)这样的波动方程采用有限元法分两步进行计算．首先根据声波波动方程计算无空化效应的稳态声场分布，然后考虑空化作用对声场分布的