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832 2018 年 9 月

影响因素非常多，而不同的影响因素所产生的空化
1 引言 往往具有不同的性质 [2] 。因此，空化的定义中使用
了 “某种原因” 这个修饰词。其次，空化现象中的气
声空化能够在局部的时间空间范围内产生高
泡，它可以是气体的、液体蒸汽的、气体与液体蒸汽
温、高压、高强电场、冲击波等非常极端的物理条件，
混合的，甚至可以是真空的；而气体则可以是普通的
并由此引发许多有着广泛用途的效应。例如，超声
空气，或空气中的某个或某些成分，情况多变。最至
清洗已经普遍应用于许多领域和场合。大量的研究
关重要的是，以上这些因素，对空化现象强烈程度的
结果表明，超声清洗的重要机理与声空化有关。在
判定，往往有着不同的规律。
超声清洗机理的理论研究中，在超声清洗工艺的优
下面，让我们分析几个常遇到的测量空化的强
化实践中，在超声清洗机器和设备的设计制造中，如
度的方法。
何来描述或表征声空化状态的强弱程度？这是一个
很直接很基本的问题。人们自然而然地使用起 “空 2.1 气泡的大小
化强度” 这一专门的用语和名词，并且实施了多种
用空化气泡的大小来描述空化的强烈程度是
不同的各有特色的测量方法。然而，各种测量方法
一个很自然的选择。测量气泡大小的方法有很多，
所获得的结果往往不一致，它们不互相支持，甚至会
其中，光学技术比较有优势。于是，有了利用光的
有抵触。这些，由于种种原因，相当强烈地引起人们
Mie散射来测量超声“空化强度”的各种方法。但是，
的困惑。“空化强度”究竟指什么？“空化强度” 如何
很不幸，空化状态的强弱并不直接与空化产生的气
测量？在声化学领域，也存在类似的问题。这些困
泡的大小相关。
惑，长期未能得到解决。随着对声空化研究的深入
超声空化所产生的气泡是成千上万的气泡群。
和声空化应用的拓展，解惑的需求越加迫切。
描述一个气泡群特征的量大致有三个，即气泡的数
早在几百年前，人们就注意到空化现象。当水
量，最大气泡的大小和气泡大小的分布。然而，由于
在细窄的管道中间流动时，当水被螺旋桨搅动时，当
前面提到的各种原因，同样的超声功率在不同的条
水中有比较强的声波传播时，都会因水中局部区域
件下会产生在气泡的大小和分布上差别很大的气
的压力低于环境压力而产生空化现象。空化现象是
泡群。
指在液体中间形成局部气体或蒸汽空穴和伴随的
研究表明，超声空化所产生的气泡的状态与空
空穴的生长和破灭的动力学过程的现象。声空化是
化核的状态密切相关。空化核是液体中存在的大小
指由声波的作用而导致的空化。
在纳米或亚微米级的微气泡。空化核在较强超声的
声空化是声学中特别是超声学中一个极其重
作用下，发生迅速增大和收缩的运动或进入共振状
要的物理现象。空化现象的非线性本质使得确切地
态。空化核的大小和尺度分布，以及空化核中的物
描述它们具有相当的难度。尽管对于空化的研究已
质，如真空、空气、液体蒸汽或其他气体，激烈地影响
经有着极长的历史，然而由于空化现象本身的复杂
着超声空化所产生的气泡的状态。这里，有两点情
特性，对于如何来描述或表征声空化状态的强弱程
况，其一，空化核的状态是未知的，很难测量的。其
度这样一个十分基本十分基础的理论问题，仍然没
二，由改变空化核的状态而导致的超声空化产生的
有得到有效的解决。
气泡的状态的变化，与超声空化的其他效应，比如清
本文旨在指出解决这个问题的难点所在，抛砖
洗效果，并没有十分确定的关系。
引玉，希望有关部门支持这个有较大影响的、无论
因此，对气泡的大小和分布的测量，只是测量了
在理论研究和实际应用方面都有重要意义的基础
空化状态的一个方面，代表不了对空化状态的强烈
性研究，能够解开这个谜团。
程度的测量。所以，它只能在绝大多数实验条件固
2 声空化的测量 定的情况下，比较某一两个因素对空化的影响。在
不同的实验室之间测量所得到的结果缺乏可比性。
按照国标《声学名词术语》 ，空化是 “液体中 需要指出，在测量气泡大小的方法中，大部分是
[1]
由于某种原因 (例如强声波的作用) 形成局部气体 在认为气泡是球形的前提下实施的。实际上，超声
或蒸汽空穴及其成长和破灭的现象”。这里，“某种 空化所产生气泡的形状十分复杂。例如，有些气泡
原因”、“气体或蒸汽” 等对于我们所讨论的 “空化强 的形状像苹果，有些气泡像陀螺。而往往这些非球
度” 都有重要的影响。因为，首先，对于空化现象的 形的气泡，在声空化的一些效应中起着更大的作用。