中國科學(xué)G輯物理學(xué)力學(xué)天文學(xué)2006,36(2):113-123113聲空化泡動力學(xué)及其測量陳偉中”黃威劉亞楠高賢嫻(南京大學(xué)近代聲學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室和聲學(xué)研究所,南京210093)摘要在評述當(dāng)前聲空化研究領(lǐng)域的最新進(jìn)展基礎(chǔ)上,報道在聲空化泡動力學(xué)理論和實(shí)驗方面的研究結(jié)果.首先,考慮了實(shí)際非球?qū)ΨQ聲場驅(qū)動下的空化泡運(yùn)動,提岀了一個非球形氣泡動力學(xué)模型,數(shù)值計算給出一種新的穩(wěn)定的非球形振蕩解.然后,設(shè)計了雙路Mie散射系統(tǒng),對空化泡運(yùn)動的球?qū)ΨQ性進(jìn)行了實(shí)驗檢測,發(fā)現(xiàn)在低聲壓驅(qū)動的大氣泡中存在明顯的不同方向的非同步振蕩作為個推論,得到了空化泡非球形振蕩的證據(jù).并且完成了非球形振蕩和驅(qū)動參數(shù)液體參數(shù)的相關(guān)性測量,具體參數(shù)包括驅(qū)動超聲的幅度、頻率,液體的表面張力系數(shù)、黏度、含氣量等.最后,介紹了數(shù)字移相頻閃照明拍攝技術(shù),實(shí)現(xiàn)對穩(wěn)態(tài)聲空化泡的直接拍攝測量,時間分辨率提升到20ns,相比已有的200ns的時間分辨率,提高了一個量級關(guān)鍵詞聲空化氣泡動力學(xué)聲致發(fā)光超聲波進(jìn)入液體,導(dǎo)致內(nèi)部壓力起伏,有些超過靜態(tài)壓力,也有些低于靜態(tài)壓力,其中低于靜態(tài)壓力的,稱為負(fù)壓.在液體的負(fù)壓區(qū)域,結(jié)構(gòu)中的缺陷(空化核)會逐漸成長,形成肉眼可見的微氣泡,這就是聲空化.對理想的無缺陷液體理論上超聲也能破壞它的分子鍵鏈,形成空化,但是所需聲壓在1013250×1053Pa量級.所以常見的聲空化強(qiáng)度不僅與驅(qū)動聲壓強(qiáng)度有關(guān),還與液體中存有的空化核數(shù)量有關(guān).由于表面張力的作用,微氣泡的形狀幾乎是球形的.我們知道外界對氣泡做的功和它的體積變化有線性關(guān)系,而和氣泡半徑不具有線性關(guān)系所以,描述氣泡運(yùn)動的 Rayleigh氣泡動力學(xué)方程是一個關(guān)于氣泡半徑的非線性方程2.聲空化微氣泡的運(yùn)動具有明顯的非線性特征,具體表現(xiàn)為緩慢的膨脹和急劇的壓縮.在1.01325×105Pa量級的超泡的最大與最小半徑之比可中國煤化工收稿日期:2005-08-26;接受日期:200602-15CNMHG國家自然科學(xué)重點(diǎn)基金資助項目(批準(zhǔn)號:104*w E-mail: wzchen@ nju.edu.SCIENCE IN CHINA Ser. G Physics, Mechanics Astronomyl14中國科學(xué)G輯物理學(xué)力學(xué)天文學(xué)第36卷以達(dá)到1032的量級,體積壓縮比就是10量級,因此聲空化泡具有很高的聚能能力在壓縮至最小半徑前后,空化泡內(nèi)部有罕見的高溫高壓.通常人們認(rèn)為內(nèi)部的最高溫度和壓力在數(shù)千K和數(shù)千個1.01325×105Pa量級,這個高溫高壓使得超聲清洗、超聲粉碎等一系列應(yīng)用成為可能,也是聲化學(xué)的工作基礎(chǔ).當(dāng)繼續(xù)增大超聲幅度,空化泡內(nèi)部的溫度壓力繼續(xù)上升,會導(dǎo)致光的輻射,這就是20世紀(jì)30年代發(fā)現(xiàn)的聲致發(fā)光現(xiàn)象.人們實(shí)驗測量了聲致發(fā)光光譜,發(fā)現(xiàn)這是一個帶有原子特征譜線的連續(xù)譜.由于當(dāng)時的聲致發(fā)光是大量隨機(jī)產(chǎn)生的空化泡的破裂發(fā)光,發(fā)光泡的動力學(xué)特征很難測量,所以,關(guān)于聲致發(fā)光的研究沒有取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展.1992年, Gaitan等人結(jié)合聲懸浮在充分去氣的水中,實(shí)現(xiàn)了空間上定位、時間上周期的單一氣泡聲致發(fā)光,常稱為單泡聲致發(fā)光的,而過去的聲致發(fā)光稱為多泡聲致發(fā)光.與多泡聲致發(fā)光的本質(zhì)區(qū)別在于,單泡聲致發(fā)光是一種穩(wěn)態(tài)的發(fā)光,不是氣泡破裂發(fā)光.空間定位的穩(wěn)態(tài)振蕩發(fā)光為實(shí)驗測量提供了必要的條件.人們得到了發(fā)光氣泡的半徑演化曲線,發(fā)現(xiàn)發(fā)光前氣泡的能量密度提升了12個量級;發(fā)光寬度在幾十到幾百皮秒之間68;光譜只有連續(xù)譜,可以用黑體輻射曲線很好擬合,譜溫度在幾萬K;發(fā)光相位在10量級上和聲場保持同步,但并不是嚴(yán)格周期的,具有倍周期分岔、混沌山等非線性特征.長期以來,由于在單泡聲致發(fā)光光譜中沒有觀察到原子線狀光譜,人們認(rèn)為多泡和單泡聲致發(fā)光在機(jī)理上是不同的.最近,人們在濃硫酸的Ar氣體聲致發(fā)光中,觀察到了Ar原子特征譜線213,但這種聲致發(fā)光不是穩(wěn)定的聲懸浮氣泡中觀察到的;同樣,在2001年人們在極暗的聲致發(fā)光中也曾觀察到原子線譜4,但在通常意義下的穩(wěn)態(tài)單泡聲致發(fā)光光譜中至今仍未發(fā)現(xiàn)原子譜線.盡管如此,已經(jīng)有更多的人相信,單泡和多泡聲致發(fā)光在機(jī)理上是有聯(lián)系的,很可能是相同的.近幾年,關(guān)于聲空化和聲致發(fā)光領(lǐng)域最熱的話題可能是聲致聚變51.首先,Moss等人在數(shù)值計算中,提出了進(jìn)一步提升空化泡內(nèi)部高溫高壓實(shí)現(xiàn)輕核聚變的思想吲.在2002年美國 Oak Ridge國家實(shí)驗室的 Taleyarkhan等人在發(fā)表了他們在氘代丙酮的強(qiáng)聲空化實(shí)驗中觀察到了25MeV中子等氘氘聚變的產(chǎn)物粒子.之后,能否實(shí)現(xiàn)聲致聚變成了物理學(xué)界的一個激烈爭論的課題.不久,同一實(shí)驗室的另研究組重復(fù)了 Taleyarkhan等人的實(shí)驗,卻得出了相反的結(jié)果1.但是Taleyarkhan等人并沒有停止研究,在2004年再次報道了他們更加可靠的聲致聚變實(shí)驗結(jié)果8.最近,人們又在濃硫酸的聲致發(fā)光實(shí)驗中觀察到極端高溫高壓的另個證據(jù)——等離子體11非球?qū)ΨQ聲場驅(qū)動下的空化中國煤化工空化泡通常處于非球?qū)ΨQ的聲場中CNMHG球?qū)ΨQ的表面張力作用明顯,因此人們多認(rèn)為,氣泡在運(yùn)動中始終保持球形.但單泡聲致發(fā)光SCIENCE IN CHINA Ser. G Physics, Mechanics Astronomy第2期陳偉中等:聲空化泡動力學(xué)及其測量115的光子關(guān)聯(lián)測量表明,氣泡發(fā)光時并不是球形的,而是一個離心率大約0.2的橢球90.實(shí)際上,空化泡是很容易破裂的,破裂可以理解為非球形的結(jié)果.理論上,人們在 Rayleigh球形氣泡動力學(xué)的基礎(chǔ)上,引入初始非球?qū)ΨQ形狀擾動項然后研究非球形項的發(fā)展.輸出的結(jié)果有兩種:(i)非球?qū)ΨQ項衰減,氣泡恢復(fù)到穩(wěn)定的球形振蕩;(ⅱi)非球?qū)ΨQ項成長,導(dǎo)致氣泡破裂l1.而文獻(xiàn)19,20所期待的非球形穩(wěn)定振蕩是不存在的.這樣的結(jié)果是可以理解的,通常人們將外界驅(qū)動取為時間上簡諧空間上球?qū)ΨQS,即使將時間變?yōu)槎囝l的2空間上依然是球?qū)ΨQ的.可見,除了初始值(形狀)具有非球?qū)ΨQ特征以外,外界驅(qū)動、邊界約束、媒質(zhì)特性都具有各向同性,輸岀的穩(wěn)定振蕩解應(yīng)該具有球?qū)ΨQ性.然而,當(dāng)我們考慮了實(shí)際驅(qū)動聲場并非嚴(yán)格球?qū)ΨQ,而是由球?qū)ΨQ部分P3m(,D)=4()(cos6)j0(k)=4(D)1+O(2(1)和具有偶極子結(jié)構(gòu)的非球?qū)ΨQ部分Pasm(r,0,1)=A2()P(cos)2(k)=A2()B(ose)(k)2+0(4)疊加而成時,直接從流體力學(xué)基本方程出發(fā),約化得到非球形氣泡動力學(xué)方程(1)和(2)式中r和分別是球坐標(biāo)的矢徑長度和它與對稱軸的夾角,P(cos日)為第n階 Legendre函數(shù),i(kr)為第n階球 Bessel函數(shù),而O(n)代表kr的n階量,k為常數(shù),A1(D)= A sin ot,其中A為驅(qū)動幅度,是驅(qū)動超聲的圓頻率.這是個決定氣泡表面函數(shù)S(,(1)+a2()P2(cos6)中系數(shù)a0()和a2(t)的時間演化方程組.氣泡的表面由F(r,6,D)≡r-S(6,t)=0定義.對這組演化方程的數(shù)值求解,不僅可以得到氣泡恢復(fù)球形和破裂的解,還可以得到穩(wěn)定的周期的非球形振蕩解23.圖1給出了球?qū)ΨQ聲場和非球?qū)ΨQ聲場驅(qū)動下,非球形氣泡的發(fā)展,從圖中可以看出,在球?qū)ΨQ聲場驅(qū)動下,初始的非球形運(yùn)動逐漸減少,氣泡將恢復(fù)球形;而在非球形驅(qū)動下,非球形運(yùn)動得到保持,氣泡做穩(wěn)定的周期的非球形振蕩.顯然,這種非球形振蕩能夠穩(wěn)定存在的原因是聲場的非球?qū)ΨQ.當(dāng)然,對足夠大的非球形擾動,氣泡不管在球?qū)ΨQ還是非球?qū)ΨQ聲場驅(qū)動下,都會破裂2雙Mie散射測量氣泡的非球形振蕩常用于聲空化的超聲頻率在20kHV凵中國煤化工0Pa量級,形成的空化泡平衡半徑在微米量級因此CNMHG液界面,對它進(jìn)行大小形狀的測量并不容易.人們首先想到的測量方法是利用高速相機(jī)實(shí)時www.scichina.coml16中國科學(xué)G輯物理學(xué)力學(xué)天文學(xué)第36卷mmms守6圖1在球?qū)ΨQ和非球?qū)ΨQ聲場驅(qū)動下的氣泡振蕩(a)球?qū)ΨQ驅(qū)動下(Ao=1,A2=0)衰減,氣泡恢復(fù)球形;(b)非球?qū)ΨQ驅(qū)動(Ao=A2=1)下,做穩(wěn)定非球形振蕩信號發(fā)生器示波器功率放大器計算機(jī)圖2雙Mie散射實(shí)驗裝置示意圖記錄二維圖像.這種方法不僅可以測量氣泡大小(如半徑),還可以得到氣泡的實(shí)際形狀.然而,由于氣泡很小,我們不得不在氣泡和相機(jī)之間加上一個顯微鏡盡管目前長距離顯微鏡已經(jīng)可以將水中的空化泡進(jìn)行有效的放大,但是放大后相機(jī)的進(jìn)光量就顯著減少.此外,由于空化泡的高速振蕩,要求相機(jī)的曝光時間越短越好,起碼要<1μs,這直接要求相機(jī)具有極高的靈敏度.目前,國外有使用10MHz的高速攝像機(jī)來記錄空化泡的運(yùn)動的,這種相機(jī)代表著當(dāng)前最高技術(shù)水平.然而,對空化泡來說,100ns的拍攝間隔并不算高,聲致發(fā)光的脈沖寬度是<1ns的.而最常用的空化泡測量方法是激光Mie散射方法.所謂Mie散射,指的是:當(dāng)光東通過不均勻介質(zhì)時,波矢量中國煤化工沖現(xiàn)象,而且要求散射粒子的線度大于或者接近散射光CNMHG0°)散射光的強(qiáng)度和散射粒子的大小成正比.對球形氣泡,散射光強(qiáng)和氣泡半徑成平方關(guān)系.顯SCIENCE IN CHINA Ser. G Physics, Mechanics Astronomy第2期陳偉中等:聲空化泡動力學(xué)及其測量117然,Mie散射方法只能得到與空化泡大小成比例的一維光強(qiáng)數(shù)據(jù),它不能得出空化泡形狀的信息,也不能得到空化泡的絕對大小.但是,Mie散射具有極好的時間響應(yīng).相比于直接拍攝方法,Mie散射設(shè)備簡單、容易實(shí)現(xiàn).之外,目前還有些基于聲懸浮空化泡的周期振蕩特性的非實(shí)時的積分拍攝242和非實(shí)時Me散實(shí)際上,對于聲空化泡的微小偏離球形的直接測量是很困難的.懸浮在液體(通常是水)中的空氣泡經(jīng)過長距離顯微鏡放大之后,拍攝到的圖像是輪廓模糊的想通過直接測量圖像來判斷空化泡是否偏離了球?qū)ΨQ是靠不住的.而普通Mie散射不能提供二維數(shù)據(jù),更不能用來判別氣泡是否球形.我們最近設(shè)計了一個雙Mie散射實(shí)驗,可以用來檢測高速振蕩氣泡是否球形.與普通Mie散射系統(tǒng)相比,雙路Mie散射系統(tǒng)增加了一路光接收裝置·個透鏡和一個光電倍增管.考慮了Mie散射的性質(zhì)和換能器的遮擋限制,實(shí)驗中兩個光電倍增管PMTl和PMT2分別取了50°和80°的散射角,如圖4所示.在每個光電倍增管的前面,我們放置了一個焦距為50mm的凸透鏡,一方面是為了獲得足夠強(qiáng)度的散射光,另一方面它增大光電倍增管的接收張角達(dá)到16°.我們知道,Mie散射的散射光強(qiáng)和散射體大小之間的關(guān)系非常復(fù)雜,有時候甚至是非單值的,即,不同的散射體大小具有相同的散射光強(qiáng)度,這種現(xiàn)象稱為 Lobe clusters(LC)現(xiàn)象2.LC現(xiàn)象依賴于散射角,在80°左右光強(qiáng)和大小之間有幾乎單調(diào)的關(guān)系,只有很輕微的LC現(xiàn)象,這正是通常Mie散射采用80°散射角的原因.而在50°附近存在明顯的LC現(xiàn)象.所幸的是增大接收張角,通過平均光強(qiáng)的方法可以有效地抵消LC現(xiàn)象.我們數(shù)值計算表明,在50°散射角,用1°張角時存在明顯的LC現(xiàn)象;而5°張角時,明顯改善;在我們實(shí)際張角16°時,已經(jīng)具有很好的單調(diào)性.而在散射角80°時,只要1°張角就呈現(xiàn)40B中國煤化工圖3雙MieCNMHG兩路信號最大峰之間存在明顯的相位(時間)差,其中實(shí)線來自PMT1,虛線來自PMT2www.scichina.coml18中國科學(xué)G輯物理學(xué)力學(xué)天文學(xué)第36卷很好的單調(diào)性.整個實(shí)驗檢測系統(tǒng)被固定在地面,而聲致發(fā)光諧振器被安置在個轉(zhuǎn)動平臺上,因此換能器對稱軸和入射激光束之間的夾角a是可以調(diào)節(jié)的.在檢測之前,我們先用聲致發(fā)光的光脈沖來檢測兩路信號的同步性,未發(fā)現(xiàn)兩路信號的自身相位差.然后,我們對不同聲壓下的空化泡進(jìn)行實(shí)驗測量.在低聲壓下我們觀察到明顯的信號相位差,見圖3.然而在高聲壓下,這個相位差逐漸減少在聲致發(fā)光時,未能觀察到有明顯的相差,圖4給出了聲致發(fā)光氣泡的測量結(jié)果-18時間ts圖4聲致發(fā)光氣泡的雙Mie散射測量結(jié)果兩路信號之間幾乎沒有相位差,上圖來自PMT1,下圖來自PMT532nm激光聲光調(diào)制器長距離顯鏡CCDInL脈沖發(fā)生器包發(fā)信號計算機(jī)GPIB5數(shù)字移相頻閃拍攝實(shí)驗示意圖我們還測量了這個相位差和驅(qū)動頻率的關(guān)系,和液體表面張力系數(shù)、黏度含氣量等的相關(guān)性.結(jié)果表明,它和頻率沒有明顯的關(guān)系、和表面張力系數(shù)有負(fù)關(guān)系、與黏度有正關(guān)系.其中和表面張力的關(guān)系是很容易理解的,氣泡之所以是球形的,就是由于表面張力的作用,它中國煤化工爾的因素.增大表面張力系數(shù)σ,氣泡球?qū)ΨQ性增強(qiáng),氣CNMHG釗弱,兩路信號的相差減少.而和黏度、含氣量、驅(qū)動聲壓的關(guān)系,最終歸結(jié)到和氣泡平衡半徑SCIENCE IN CHINA Ser. G Physics, Mechanics Astronomy第2期陳偉中等:聲空化泡動力學(xué)及其測量119的關(guān)系.比如,在同等驅(qū)動聲壓下增加液體的黏度,等效于減少驅(qū)動聲壓,導(dǎo)致氣泡平衡半徑增大28,由于表面張力除了和系數(shù)G有關(guān),還與氣泡半徑R反比因此增大液體黏度導(dǎo)致非同步性的提高.雙Mie散射系統(tǒng)通過測量不同方向上的截面振蕩情況,得到同步性信息,作為推論,得到氣泡的非球形振蕩信息.可見,這也是一種間接的方法,但相比利用聲致發(fā)光光子關(guān)聯(lián)920來推算氣泡形狀更為可靠.到目前為止,通過直接拍攝的方法還不能取得有效的氣泡非球形振蕩的信息.但是基于直接拍攝的氣泡動力學(xué)測量已經(jīng)取得了許多有意義的進(jìn)展,尤其是對穩(wěn)態(tài)聲懸浮空化泡的頻閃拍攝方面,已經(jīng)能夠很精確地測量出氣泡在不同時刻的絕對大小3穩(wěn)態(tài)空化泡的頻閃拍攝雖然自實(shí)現(xiàn)單泡聲致發(fā)光以來5,空化泡的位置是固定的.但是,由于它的微米尺度和髙速振蕩,想對它進(jìn)行實(shí)時的精確測量并不容易.首先我們需要解決長距離顯微放大的問題,通常的顯微鏡是不能勝任對超聲懸浮空化泡的顯微放大的,因為通常顯微鏡的工作距離(顯微鏡的物距)只有毫米量級,而空化泡是位于諧振器的中心,距離諧振器壁有幾個厘米的距離.所以,必須采用特殊的長距離顯微镋進(jìn)行放大.當(dāng)然,由于顯微鏡的放大導(dǎo)致了顯微鏡輸出的光強(qiáng)度的減弱在另一方面,由于空化泡的高速振蕩,實(shí)時拍攝需要很快的拍攝速度,這樣就減少了相機(jī)的進(jìn)光量.因此,實(shí)時拍攝仍然存在許多難以克服的困難,所得到的實(shí)驗數(shù)據(jù)的光滑程度甚至不如Mie散射的結(jié)果.但是人們注意到聲懸浮氣泡的良好特性,發(fā)展了一些基于空化泡周期運(yùn)動的頻閃拍攝方法.在1996年耶魯大學(xué)的田和 Apfel首先采用差頻照明拍攝方法,對空化泡進(jìn)行了非實(shí)時拍攝,得到了空化泡的半徑演化曲線24,其數(shù)據(jù)的光滑程度出乎人們的想象,以至于遠(yuǎn)遠(yuǎn)地好于他們后繼的工作,更讓人難以理解.差頻法的主要思想是,用一束特殊的脈沖光照明下對空化泡進(jìn)行積分拍攝.他們采用了脈沖寬度為D、頻率為fgh的電信號驅(qū)動發(fā)光二極管(LED)形成照明光脈沖.如果光脈沖的頻率ft和驅(qū)動超聲頻率f嚴(yán)格相等,即Δ≡∫-fih=0,那么,氣泡的某一個相位被持續(xù)照明.這時候我們就可以用普通照相機(jī)對空化泡進(jìn)行固定相位的多次重復(fù)曝光拍攝,此時的測量精度就是光脈沖的寬度D.顯然,這種方法是利用空化泡的周期性來彌補(bǔ)實(shí)時拍攝進(jìn)光量不足的問題.為了能夠記錄空化泡隨時間的變化規(guī)律,他們將△f取成01H,每經(jīng)過一個聲周期光脈沖相位移動一個△=27,光脈沖在經(jīng)中國煤化工周期,或者血1THCNMHG明相位.所以,www.scichina.com120中國科學(xué)G輯物理學(xué)力學(xué)天文學(xué)第36卷對Δf=0.1Hz情況,重復(fù)時間是10s,對曝光時間為1/30s的錄像機(jī)來說,可以得到300幀圖像,重構(gòu)一個完整的氣泡演化過程.每幀圖像是∫/30次“慢移動”氣泡的重復(fù)曝光結(jié)果.可見差頻拍攝的時間分辨率是照明光脈沖寬度D加上這個光脈沖“慢移動”時間,文獻(xiàn)[24,25]中脈沖寬度為D=100ns,實(shí)際時間分辨率是200ns.當(dāng)然,我們可以通過降低Δ′的方法減少“慢移動”時間來提高分辨率,但相應(yīng)的代價是提高拍攝的時間.原則上,差頻法是一個等時間間隔的頻閃拍攝方法,用來測量非線性運(yùn)動的空化泡并不合適我們采用了新的數(shù)字移相技術(shù),實(shí)現(xiàn)空化泡的可變時間間隔的頻閃拍攝,在同樣脈沖寬度下將時間分辨率提高了一倍.我們的測量的時間分辨率就是脈沖寬度,沒有附加的脈沖“慢移動”時間.圖5給出了我們的實(shí)驗裝置圖.和差頻法的主要不同是我們的脈沖相位移動是通過編程控制脈沖信號發(fā)生和控制器(DG535)來實(shí)現(xiàn).圖6給出了DG535的觸發(fā)信號和輸出脈沖.輸入信號A和B的上升沿時間差決定脈沖的寬度,即T=7A-T.在保持T不變的前提下,同時增大⌒λ和T就實(shí)現(xiàn)了脈沖的相位移動.可見,這里不再存在差頻法中的脈沖慢運(yùn)動,也就是說,差頻法的脈沖相位是連續(xù)的勻速移動,而這里的脈沖是步進(jìn)的,下一個脈沖相位是程序指定的,和前一個脈沖相位沒有關(guān)系.這樣我們就可以實(shí)現(xiàn)變時間步長的拍攝,這對非線性運(yùn)動的空化泡的拍攝是非常重要的,我們可以在迅速變化時域增加拍攝點(diǎn),而在緩慢變化時域減少拍攝點(diǎn).甚至,我們可以根據(jù)不同的氣泡運(yùn)動特征設(shè)定不同的脈沖寬度,以觀察高速變化過程.在照明光源方面,我們也做了有意義的改進(jìn).相比LED,我們采用的激光加聲光調(diào)制器形成的光脈沖,不但具有高的強(qiáng)度,更短的波長,而且可以做得比LED更高的時間分辨率.這里的脈沖寬度由聲光調(diào)制器的頻率決定,我們所用的AM350的最高頻率是350MH,實(shí)驗測定它調(diào)制得到的光脈沖比 Hamamatsu R212的反應(yīng)時間還要窄.實(shí)驗上,我們最高采用了20ns的脈沖寬度進(jìn)行拍攝.由于我們采用固定的曝光時間(1/30s)的攝像機(jī)作為最終數(shù)據(jù)記錄,進(jìn)一步地減少脈沖寬度,而不增強(qiáng)TRIGfot中國煤化工ABCNMHG圖6DG535脈沖發(fā)生器時序圖SCIENCE IN CHINA Ser. G Physics, Mechanics Astronomy第2期陳偉中等:聲空化泡動力學(xué)及其測量121時間ts圖7數(shù)字移相頻閃拍攝數(shù)據(jù)曲線時間分辨率是100ns.內(nèi)圖為典型的氣泡照片,照片的中心亮點(diǎn)是聲致發(fā)光激光強(qiáng)度,就會導(dǎo)致CCD曝光不足.而進(jìn)一步增強(qiáng)激光強(qiáng)度,激光和氣泡相互作用導(dǎo)致氣泡破裂.因此,我們的系統(tǒng)目前最高能夠得到20ns分辨的空化泡演化數(shù)據(jù),相比文獻(xiàn)[24,25]的200ns提高了10倍.圖7給出了一個數(shù)字移相頻閃照明下的積分成像的結(jié)果,其中內(nèi)圖為典型的氣泡拍攝照片,每個實(shí)驗點(diǎn)來自一幀這樣的照片4總結(jié)與展望聲空化現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)得很早,目前已經(jīng)在許多領(lǐng)域為人類所利用.但由于它的微米尺度和亞納秒時間的縮塌,對目前的測量技術(shù)極具挑戰(zhàn)性,人們對它內(nèi)部的物理過程的了解并不多.雖然人們對聲致聚變持有爭議,但是超聲清洗、超聲催化、空蝕現(xiàn)象、空化泡發(fā)光等都是人所共知的事實(shí).這些都源自于空化泡內(nèi)部的極端高溫高壓.在我們的世界里,球形空化泡具有最好的聚能能力.從空間上講,它是一個三維的系統(tǒng),由于表面張力的作用是隨著氣泡半徑減少而上升的,因此越壓縮球?qū)ΨQ性越好,這樣可以避免其他非球形因素使得氣泡失去球?qū)ΨQ性,確保達(dá)到最大的體積壓縮比.從時間上看,由于空化泡的壁是氣液界面,它的質(zhì)量可以忽略不計,這就使得氣泡振蕩可以極大地體現(xiàn)系統(tǒng)的非線性特征.它在經(jīng)過緩慢的膨脹之后,進(jìn)行急劇的壓縮.以至于輻射光子的寬度小于納秒.這對驅(qū)動周期為幾十微秒的聲學(xué)系統(tǒng),僅在時間上就存在5-6個量級的壓縮.加上空間的壓縮比,通常聲致發(fā)光氣泡就具有11~12中國煤化工可聲致聚變采用了比聲致發(fā)光高出一個量級的超聲進(jìn)行CNMHG的提高.顯然人們最感興趣的是氣泡被急劇壓縮到最小半徑時的情況.然而,到目前為止,人www.scichina.coml22中國科學(xué)G輯物理學(xué)力學(xué)天文學(xué)第36卷們還不能測到想要的數(shù)據(jù).原因是,按照理論推算,一個平衡半徑為幾個微米的空化泡,在大氣壓量級的超聲驅(qū)動下,最小半徑不到0.5μm,已經(jīng)接近或者小于照明光的波長,光的波動效應(yīng)停止了人們繼續(xù)提升空間分辨率的進(jìn)程.我們采用了短波長的綠激光就是出自該方面的考慮.實(shí)際上,我們還觀察到,照明光和氣泡的相互作用現(xiàn)象.我們?nèi)绻酶恼彰鞴饷}沖,CCD就不能感光成像,必須增大激光能量,但氣泡會失去穩(wěn)定性.總之,在空化泡動力學(xué)測量方面具有很強(qiáng)的挑戰(zhàn)性,而空化泡在最小半徑附近的數(shù)據(jù)是解讀空化泡聚能現(xiàn)象的關(guān)鍵,是我們必須努力的課題致謝感謝《中國科學(xué)》編輯部的約稿,促成本文參考文獻(xiàn)Leighton T G. 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