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第 37 卷 第 5 期 吴鹏飞等： 声 -流耦合空化场观测与量化表征探索 805
100.0 W时，两个超声周期内空化云的快照。图2(b) 的空化噪声谱 (包含了换能器辐射的背景声)。图
中第一列实际上是单独水力空化云。可以看到，空 中，红线代表换能器电功率为 50.0 W 时单独声空
化云并不是均匀分布，而是成 “团” 从喷口 “脱落”， 化噪声谱；蓝线代表换能器关闭，孔板入口压力为
且无显著的周期特征。当超声电功率提高至25.0 W 0.300 MPa 时单独水力空化噪声谱；黑线代表换能
时，空化云规模显著增大。从图上能看到，空化云仍 器电功率为50.0 W、孔板入口压力为0.300 MPa 时
然是成块分布，在两个超声周期内，空化云大致经
声 -流耦合空化噪声谱。从图 3 中可以看到：水力
历了两次 “从小到大再到小” 的膨胀与收缩过程，即
空化噪声谱峰值主要分布在 10 kHz 以下；声空化
这种情况下的耦合空化云中出现了和超声一致的
噪声谱中含有频率为 20.7 kHz 的谱线，通常认为这
周期性特征。当超声波换能器电功率提高至50.0 W
部分来自于换能器辐射声基频及气泡的小幅脉动，
时，空化云有所增大，相比超声波换能器电功率为
10 kHz 以下也出现一些峰值，幅值整体上高于水力
25.0 W 时，其前一次膨胀与收缩的时间变长，后一
空化的；耦合空化的谱线在基频处相对超声空化的
次膨胀与收缩的时间变短，展现出一定的倍周期特
明显下降，在次谐频及以下频带上升。这表明，当一
征。当超声波换能器电功率提高至 100.0 W 时，可
定的声空化和一定的水力空化耦合时，超声换能器
以看到，在两个超声周期内，空化云只经历了一次膨
辐射的声能量更多地参与了空化，并使得整个耦合
胀与收缩的过程，表现出明显的倍周期特征，并且空
化云成“团”分布的特征更加明显。 空化加强。需要说明的是，直接通过空化云高速摄
空化云由大量空化泡组成，其演化过程中包含 影及噪声测量得到的结果是定性的，很难定量分析
了空化泡胀缩振动的周期性特征，这种周期性特征 空化强度特征。因此，接下来将介绍空化场的量化
可以从空化噪声 (空化泡作为声源辐射的噪声) 中 表征方法及利用该方法对声- 流耦合空化的进一步
反映出来。图 3 显示的是 PVDF 水听器同步测量 分析。
ܦ-ืᏹՌቇӑ 0.005
ܦቇӑ
ඵҧቇӑ 0.004
0.015
ᑵ٬/V 0.002
۳ᮠf 0 0.003
ៈᮠf 0 /2
0.001
0.010
ᑵ٬/V 0.000
8
10
6
4
ᮠဋ/kHz 12 14
ᡔៈᮠ3f 0 /2
0.005
ៈᮠ2f 0
0.000
0 10 20 30 40 50 60
ᮠဋ/kHz
图 3 PVDF 水听器测得空化噪声谱
Fig. 3 FFT amplitude spectrum of cavitation noise obtained by the PVDF needle hydrophone
实际的测量往往都只针对其中某一种效应。这或许
4 声-流耦合空化场的量化表征 是目前 “空化强度” 这个提法已经被 “默认” 很多年，
却没有一个严格定义的根本原因。因此，实际中还
4.1 空化状态变量q 及空化强度的定义
要结合具体问题给出定义并选择合适的测量方法。
空化是一个复杂的现象，它涉及诸多物理、化
学过程。目前还没有一种通用的方法对空化强度进 Wu 等 [42] 提出了一种基于高速摄影图像分析的空
行统一度量。这主要是因为空化效应有很多方面， 化场测量及表征方法，在介绍该方法之前先介绍空
