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超声场中气泡的运动

来源: | 发布日期:2022-09-30
为了探讨空化效应的机理,首先必须了解声场中气泡的动态。由于每个空化泡都是独立 运动的,因此,研究一个空化泡的发育和闭合过程具有普遍意义。
设液体是不可压缩的,液体中有一气泡,半径为Ro,液体中的静压力为po ,声压为 Pmsinwt,则由运动方程、连续性方程和空泡表面边界条件,可求得气泡运动遵循的方程式为:
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 图2-2给出了气泡半径R随时间变化数值解的曲线 图形。它是在P0=Pa, Pm=4×105Pa, R0=0.8×10-4cm和频率分别为f1= 4. 8MHz (对应于曲线1),f2=14. 3MHz(对应于曲线2)的条件下求解的。图2-2(a)是声压的变化,图2-2(b)是气泡半径随时间的变化。图中曲线1(虚线)对应于声波频率f12(是气泡的谐振频率,约为7MHz)的情况。气泡从初始半径R0= 0.8X10-4cm在声负压期间不断增长。当声压为正压力时,由于气泡表面振动的惯性作用,仍以某个速度继续膨胀,达到某一最大值后开始收缩,在正压作用下,收缩速度愈来愈大,致使气泡迅速闭合。气泡从最大半径到完全闭合的时间只有秒数量级,它只是声波周期1/4。曲线2(实线)对应于f2>f0的情况,气泡表面振动变得很复杂,由图看出气泡是作非线性振动而不会闭合。

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由以上所述,可得到这样的结论,即气泡振动和声波频率有关。特别值得注意的是,当气泡半径较大,其谐振频率低于声波频率时,气泡虽可生长发育但却不能闭合。
空化现象中,气泡膨胀到达的最大半径Rm和它膨胀到最大半径的时刻tm是很有意义的。显然,Rm/R0的数值愈大,则闭合时产生的激波强度愈大。

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