声波在含气泡液体中的线性传播

为了探讨含气泡液体对声波传播的影响, 研究了声波在含气泡液体中的线性传播. 在建立含气泡液体的声学模型时引入气泡含量的影响,建立气泡模型时引用 Keller的气泡振动模型并同时考虑气泡间的声相互作用,得到了经过修正的气泡振动方程. 通过对含气泡液体的声传播方程和气泡振动方程联立并线性化求解,在满足 (ω R₀)/c << 1 的前提下,得到了描述含气泡液体对声波传播的衰减系数和传播速度. 通过数值分析发现,在驱动声场频率一定的情况下,气泡含量的增加及气泡的变小均会导致衰减系数增加和声速减小;气泡的体积分数和大小一定时, 驱动声场频率在远小于气泡谐振频率的情况下,声速会随驱动频率的增加而减小; 气泡间的声相互作用对声波传播速度及含气泡液体衰减系数的影响不明显.最终认为气泡的大小、 数量和驱动声场频率是影响声波在含气泡液体中线性传播的主要因素. 关键词： 含气泡液体 线性声波 声衰减系数 声速     

声波在含气泡液体中传播特性及产热效应*

该文对含气泡液体中的声波方程采用线性分析方法,研究了超声波在含气泡液体中的传播特性以及产热效应。当声波在含气泡液体中传播时,气泡的存在会影响声波的传播,在声波频率接近气泡共振频率的频段内,声信号在液体中传播时剧烈衰减,而在声波频率远远高于或低于气泡共振频率时,声波的传播基本不受影响。在接近气泡共振的频段内,声波耗散的能量最终转化为热能。同时液体中的气泡会在声波驱动下径向振动并辐射声波,伴随气泡壁在液体中的粘滞振动,热量随之产生。结果表明,两种产热机制分别在不同频段起主导作用。     

非线性声场中的参量激发

本文基于求解单频声波方程近似解的方法,得到了非线性声场中谐波的声压与介质性质、初始声压幅值及频率之间的定量关系.并对两列相对声压幅值和相对频率不同情况下的声场分布进行了研究.通过分析单、双频声源辐射场中的谐波分布和传播规律发现:在非线性声场中会不断地出现新的谐波,激发的各阶谐波随着声波传播距离的增大逐渐增强而后减弱.在声源的附近,谐波的声压随基波声压振幅的增大而增大;但在基波的频率增大时反而会减小.在输入总声能相同的情况下,与单频声场相比双频声源辐射场的声能量分布较均匀,声的传播距离较大,远场中的谐波含量较大.结果表明,基波的频率越高,衰减得越快,谐波的积累越缓慢;声压的极值越大,基波声能量转移得越多,产生的谐波越多,基波的衰减越快,声压对远场声能的负效应增大;如果改用多频声源,并适当地控制输入声波的组成成分,可以达到改善声场分布均匀性、增大声辐射距离的效果.     

声场中气泡运动的混沌特性

以水为工作介质,考虑了液体的可压缩性,研究了声场中气泡的运动特性,模拟了声波频率、声压幅值、气泡初始半径以及液体的表面张力和黏滞系数的变化对气泡运动状态的影响. 分析了空化处理效果与气泡运动状态之间关系. 结果表明:气泡运动处于混沌状态,是提高声空化降解有机污染物能力的最重要因素. 关键词： 声空化 混沌 相图 功率谱图     

微管内气泡的受迫振动

在气泡-液柱一维耦合振动模型的基础上对刚性微管两侧声压不相等时管内柱状气泡的轴向一维受迫振动进行了理论探索. 声压不均匀分布不影响气泡线性振动时的共振频率, 但振动幅度受到有效声压幅值的影响. 利用逐级近似法分析了管内非线性振动气泡的基频、三倍频和三分之一分频振动的幅-频响应关系, 结果表明当驱动声压超过0.1 MPa时, 气泡振动处于非线性状态. 非线性声响应特征主要表现为:基频和分频振动幅值响应的多值性; 三倍频振动在低频区响应强于高频区; 三分频振动在大于共振频率的频域内出现的概率更大.     

含混合气泡液体中声波共振传播的抑制效应

当声波在含气泡的液体中传播时会出现共振传播现象,即在气泡的共振频率附近声衰减和声速会显著地增大,这是声空化领域的一个重要现象.以往的研究一般假设液体中只存在单一种类的气泡,因此忽略了声波共振传播的某些重要信息.本文研究了含混合气泡液体中声波的共振传播,混合气泡是指液体中包含多种静态半径不同的气泡.结果显示:在这种系统中存在声波共振传播的抑制效应,即与含单一种类气泡的系统相比,在含混合气泡的系统中声波的共振衰减和共振声速会明显变小.对于两种气泡混合、多种气泡混合以及气泡满足某种连续分布的系统,研究了抑制效应的本质和主要特征,此外还探究了黏性和空化率等对抑制效应的影响.本文的研究结果是对该领域现有知识的必要补充.     

含气泡液体中声传播的解析解及其强非线性声特性

声波在含气泡的液体中传播时,气泡的受迫振动会引起强的声散射,并且由于振动的非线性,使得气泡产生的次级波不仅含有基频成分,而且还会有高次谐波。本文从理论上描述了气泡个数随尺并给出了含气泡液体的等效非线性声参数Ｂ／Ａ的计算公式理论与已有的实验观测符合较好,文中对含气泡水的声速和声衰减等特性也进行了讨论。     

硫酸中多气泡声致发光光谱

非线性声波方程与气泡脉动方程联立, 可以描述声空化云中的声场以及任何一个气泡的脉动过程,为数值计算空化场问题提供了理论框架.计算的声压分布变化可以用来计算单气泡动力学,了解任何位置处气泡发光过程以及气泡内气体温度和压强变化等. 对浓硫酸中氙气泡空化云的计算定性符合实验观测, 只有钠原子线谱的计算结果相比实验观测有些出入.     

格子Boltzmann方法应用于气动声学研究

应用格子Boltzmann方法(LBM)对不同类型的气动声学问题进行数值研究.通过模拟一维平面声波和二维点源声波的传播,得到沿传播方向的声压脉动,其振荡幅值和衰减趋势与理论值相吻合.其次进行声波衍射和干涉现象的数值模拟.最后,模拟处于流场中运动声源辐射声场的多普勒效应.模拟结果说明LBM方法能较好地模拟低马赫数下的声学问题,包括声压脉动的传播,声波的波动特性以及流动与声波间的相互作用.     

超声在液体中的非线性传播及反常衰减

本文从广义的Navier-Stokes流体方程出发,考虑到流体介质的黏滞性和存在的热传导,导出了更接近实际流体的三维非线性声波动方程.鉴于声传播所涉及的空间和时间尺度的复杂性和多样性,文中针对一维情形下的非线性波动方程进行了求解和分析.由方程的二级近似解可以看出,声压振幅的衰减遵循几何级数规律,而且驱动声波的频率越高声压的衰减就越快.在满足条件ωb《ρ0c_0~2时,基波的衰减系数与驱动频率的平方及耗散系数的乘积成正比;二次谐波的衰减规律更加复杂,与频率的更高次幂相关.对声衰减系数及声压的分布进行数值计算发现,声压的分布还与初始的声压幅值及频率有关,初始的声压与频率越高衰减得越快.另外,当声压高于液体的空化阈值时,液体中就会出现大量的空化泡,文中模拟了单个空化泡的运动,发现随着声压的增大空化泡的振动越剧烈、空化泡所受的黏滞力变大,随着声波作用时间的增大黏滞力的幅值迅速增大并与驱动声压值同阶,因而空化泡的非线性径向运动引起的声衰减不容忽视.结果表明,驱动声压越高在空化区域附近引起的声衰减越快、输出的声压越低.     

含气泡液体中气泡振动的研究

研究了含气泡液体中单个气泡在驱动声场一定情况下的振动过程. 让每次驱动声场作用的时间特别短, 使气泡半径发生微小变化后再将其变化反馈到气泡群对驱动声场的散射作用中去, 从而可以得到某单个气泡周围受气泡散射影响后的声场, 接着再让气泡在该声场作用下做短时振动, 如此反复. 通过这样的方法, 研究了液体中单个气泡的振动情况并对其半径变化进行了数值模拟, 结果发现, 在液体中含有大量气泡的情况下, 某单个气泡的振动过程明显区别于液体中只有一个气泡的情况. 由于大量气泡和驱动声场的相互作用, 使气泡半径的变化存在多种不同的振动情况, 在不同的气泡大小和含量的情况下, 半径变化过程分别表现为: 在平衡位置附近振荡的过程; 周期性的空化过程; 一次空化过程后保持某一大小振荡的过程; 增长后维持某一大小振荡的过程等. 所以, 对于含气泡液体中气泡振动的研究, 在驱动声场一定的情况下, 必须考虑气泡含量的因素. 关键词： 含气泡液体 超声空化 散射 数值模拟     

丛聚的含气泡水对线性声传播的影响

含气泡水内气泡的空间分布会对线性声传播产生影响,导致实验结论与理论预测存在较大偏差.为解决这一问题,将准晶体近似引入到自洽方法中,导出了考虑空间分布时多分散含气泡水的等效声波波数.考虑到含气泡水内,气泡间存在小范围的聚集趋势(简称丛聚现象),在此基础上引入Neyman-Scott点过程描述了含气泡水内气泡的丛聚现象.分析发现,丛聚时,声速、声衰减的峰值将受到抑制,并向低频偏移,且抑制和频偏现象会随丛聚加剧而变强;随频率远离峰值段,丛聚对声传播的影响逐渐减弱.此外,考虑到空间分布的统计信息提取对相关研究的精确与否起到重要作用,引入了一种比例无偏估计,通过该方法获得了仿真环境下丛聚含气泡水模型的相速度及衰减系数,该建模及统计方法也可为相关实验工作提供理论基础.     

A simple model of ultrasound propagation in a cavitating liquid. Part I: Theory, nonlinear attenuation and traveling wave generation

The bubbles involved in sonochemistry and other applications of cavitation oscillate inertially. A correct estimation of the wave attenuation in such bubbly media requires a realistic estimation of the power dissipated by the oscillation of each bubble, by thermal diffusion in the gas and viscous friction in the liquid. Both quantities and calculated numerically for a single inertial bubble driven at 20 kHz, and are found to be several orders of magnitude larger than the linear prediction. Viscous dissipation is found to be the predominant cause of energy loss for bubbles small enough. Then, the classical nonlinear Caflish equations describing the propagation of acoustic waves in a bubbly liquid are recast and simplified conveniently. The main harmonic part of the sound field is found to fulfill a nonlinear Helmholtz equation, where the imaginary part of the squared wave number is directly correlated with the energy lost by a single bubble. For low acoustic driving, linear theory is recovered, but for larger drivings, namely above the Blake threshold, the attenuation coefficient is found to be more than 3 orders of magnitude larger then the linear prediction. A huge attenuation of the wave is thus expected in regions where inertial bubbles are present, which is confirmed by numerical simulations of the nonlinear Helmholtz equation in a 1D standing wave configuration. The expected strong attenuation is not only observed but furthermore, the examination of the phase between the pressure field and its gradient clearly demonstrates that a traveling wave appears in the medium.     

含少量气泡流体饱和孔隙介质中的弹性波

考虑孔隙流体中含有少量气泡,且气泡在声波作用下线性振动,研究声波在这种孔隙介质中的传播特性.本文先由流体质量守恒方程和孔隙度微分与流体压力微分的关系推导出了含有气泡形式的渗流连续性方程;在处理渗流连续性方程中的气体体积分数时间导数时,应用Commander气泡线性振动理论导出气体体积分数时间导数与流体压强时间导数的关系,进而得到了修正的Biot形式的渗流连续性方程;最后结合Biot动力学方程求得了含气泡形式的位移场方程,便可得到两类纵波及一类横波的声学特性.通过对快、慢纵波的频散、衰减及两类波引起的流体位移与固体位移关系的考察,发现少量气泡的存在对快纵波和慢纵波的传播特性影响较大.     

A Theoretical Model for the Asymmetric Transmission of Powerful Acoustic Wave in Double-Layer Liquids

A theoretical model which couples the oscillation of cavitation bubbles with the equation of an acoustic wave is utilized to describe the sound fields in double-layer liquids, which can be used to realize the asymmetric transmission of acoustic waves. Numerical simulations show that the asymmetry is related to the properties of the host liquids and the input acoustic wave. Asymmetry can be enhanced if the maximum number density or the ambient radius of the cavitation bubbles in the low cavitation threshold liquid increases. Moreover, the direction of rectification will be reversed if the amplitude of the input acoustic wave becomes high enough.     

强超声在空化液体中的反常衰减

采用自动控制系统,逐点测量了长方形水槽内液体中不同位置的声压。研究发现,随着驱动声压的增大,近场声压持续增大,但衰减速度也加快,而远场声压会经历一个先上升后下降的反常过程。通过对容器中不同位置声压进行频谱分析,得到声波不同频率分量随传播距离的变化规律。结合频谱的分析表明,上述反常过程的原因是高驱动声压下气泡的非线性振动将更多声能量转移至衰减较快的高次谐波,从而导致远场的声压反而低于较低驱动时对应的声压。      

Calculation of shock wave propagation in water containing reactive gas bubbles

The entry of a shock wave from air into water containing reactive gas (stoichiometric acetylene–oxygen mixture) bubbles uniformly distributed over the volume of the liquid has been numerically investigated using equations describing two-phase compressible viscous reactive flow. It has been demonstrated that a steady-state supersonic self-sustaining reaction front with rapid and complete fuel burnout in the leading shock wave can propagate in this bubbly medium. This reaction front can be treated as a detonation-like front or “bubble detonation.” The calculated and measured velocities of the bubble detonation wave have been compared at initial gas volume fraction of 2 to 6%. The observed and calculated data are in satisfactory qualitative and quantitative agreement. The structure of the bubble detonation wave has been numerically studied. In this wave, the gas volume fraction behind the leading front is approximately 3–4 times higher than in the pressure wave that propagates in water with air bubbles when the other initial conditions are the same. The bubble detonation wave can form after the penetration of the shock wave to a small depth (~300 mm) into the column of the bubbly medium. The model suggested here can be used to find optimum conditions for maximizing the efficiency of momentum transfer from the pressure wave to the bubbly medium in promising hydrojet pulse detonation engines.