單泡聲致發(fā)光中氣泡運動特性的理論和實驗研究.pdf

1、單泡聲致發(fā)光中，由于氣泡的運動將低能量密度的聲能轉(zhuǎn)化成高能量密度的光能，這巨大的能量集聚原理，引起了許多物理和聲學(xué)工作者的濃厚興趣，近十年來，對單泡聲致發(fā)光的氣泡動力學(xué)及發(fā)光機理已開展了大量的理論和實驗研究[6,36]。本論文結(jié)合理論和實驗初步研究了單泡聲致發(fā)光中氣泡的運動特性，得到一系列有意義的結(jié)果。 聲致發(fā)光的本質(zhì)是能量轉(zhuǎn)換，在這過程中氣泡相當于一個換能器。因此視單氣泡為一非線性振子，從能量守恒角度求解帶有耗散函數(shù)的Lag

2、rangian方程，獲得描述在不可壓縮、粘滯流體中氣泡近球?qū)ΨQ運動的RP方程和擾動幅度an方程。求解了在膨脹、崩潰、回彈三階段上R(t)的解析解和數(shù)值解，以及崩潰相an的解析解。表明單泡膨脹起始于激勵聲壓的負壓相、崩潰階段氣泡半徑的變化滿足瑞利標度定律(tc-t)2/5、回彈階段氣泡在平衡半徑R0附近作阻尼振蕩直至下一個負聲壓的到來，有關(guān)結(jié)論得到了Mie散射實驗結(jié)果的證實。而對于an，在弱粘滯流體中an隨R的減小以R-1/4增

3、大而使氣泡呈現(xiàn)不穩(wěn)定；對于強粘滯流體，an隨R的減小而以阻尼振蕩衰減或以冪指數(shù)衰減，氣泡運動是穩(wěn)定的；這些比BOGOYAVLENSKIY的結(jié)論[12]更符合實際的結(jié)果，表明了振子模型的精確性。結(jié)合RP方程，進而計算出單泡周圍液體中的壓力場，表明崩潰時氣泡周圍形成的激波的壓力增量可高達108-109Pa，并形成了一高密度水殼包圍氣泡，折射率的變化影響了散射光，從而解釋了GOMPF和PECHA的實驗結(jié)果[33]：在發(fā)光前約0.7n

4、s時Mie散射光強極小。 建立了光干涉法測量球腔內(nèi)聲場分布的單泡聲致發(fā)光系統(tǒng)，通過對球腔內(nèi)諧振聲場的理論分析，求出實驗所需的半徑為a的球腔諧振基頻f0=c/2a，及半周期內(nèi)聲場干涉條紋數(shù)2N與腔內(nèi)聲場任意點的聲壓的關(guān)系：p(r)=2N/a·911·j0(kr)，成功實現(xiàn)了非侵入的聲壓測量。結(jié)合光干涉法和Mie散射法，對單泡聲致發(fā)光的參數(shù)空間進行了實驗研究。得到：穩(wěn)態(tài)SBSL的上下聲壓閾值范圍為1.29-1.47atm，在這范圍

5、內(nèi)光強隨聲壓的升高而增強，與對RP方程數(shù)值計算結(jié)果相符;SBSL對激勵頻率的穩(wěn)定度和準確度達到10-4量級；SBSL中氣泡是在崩潰到最小半徑前極短的時間內(nèi)發(fā)光的;氣泡發(fā)光時回彈相的回彈幅值相對氣泡未發(fā)光時顯著減弱，意味著更多的能量通過光輻射、激波輻射等消耗了。同時，由實測的Pa對氣泡的另一個重要參數(shù)R0進行了數(shù)值擬合，為進一步實驗研究聲致發(fā)光相圖提供了依據(jù)。 本論文得到了國家自然科學(xué)重點基金(19934001)及教育部博士點基