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真正意义上提出液体薄层超声空化概念，并对薄层 展示图片，相对全面、直观地介绍液体薄层中的各
空化进行研究的是 Moussatov 等人 [26] 。他们使用 种空化结构，及其所表现出的宏观稳定性、表面张
有限元模拟方法评估了液体薄层内的压力场，并预 力、记忆效应，以及将空化云视为一种独立介质的
测薄层超声空化场内可能存在较大振幅的声压。实 可能性。
验也证实了在较宽的频域范围内和较低的输入强
2 液体薄层中的超声空化结构
度下可以产生较强的空化。Moussatov 等提出了液
体薄层超声空化的概念，做出了开创性的贡献，但是
液体薄层结构 (两个平行固面间充满液体，其
他们的研究重点不在空化和空化云，而在换能器特 中一个固面静止，另一个固面以一定的频率振动)内
性和薄层内的压力场。García-Atance Fatjó 等 [27] 部的空化是与振动频率和间距密切相关的，因此实
对小辐射面薄层超声空化进行了研究。实验发现在 验选用了三种不同频率的换能器，分别为20 kHz(辐
一个圆形空化区外围存在一个环形空化区，而环形 射面直径 d = 50 mm)，30 kHz (d = 38 mm) 和
区域直径和面积是振幅和薄层厚度的函数。他们使 40 kHz (d = 30 mm)，并利用一个步进电机驱动
用流体力学和分析力学相结合的方法对环形区域 的间隙调节机构调节薄层厚度 (如图 1 所示)。实验
进行了研究。García-Atance Fatjó等的研究虽然丰 利用高速摄影机 (Photron Fastcam SA-1, Photron
富了我们对液体薄层超声空化的理解，但是因其换 Ltd., Japan)配合长焦微距镜头(Zoom 6000, Navi-
能器和实验条件的特殊性，还不能对液体薄层超声 tar, USA; LM50JCM, Kowa, Japan)拍摄液体薄层
空化云形成整体性的认识。 内的宏观空化云的演化和微观空泡运动。实验根据
本文将简要梳理近几年本课题组在液体薄层 不同的研究需要也做了一些相应的改动，并相应地
中的超声空化研究中的一些成果 [28−31] ，尽量多地 增加了其他的测量手段(如图1所示)。
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图 1 实验系统图
Fig. 1 Experimental set-up
从图 2可以看出，在实验选取的参数段内，不同 化结构的角度定义薄层空化。下面以 20 kHz 为例
频率和辐射面的空化结构随着薄层厚度的变化大 对空化云形态进行划分，30 kHz和40 kHz也经历了
致经历了相似的变化过程。在20 kHz∼40 kHz范围 相似的过程。
内，实验发现与频率和辐射面面积相比，功率对空化 2.1 Spotted structure (h < 100 µm)
云形态的影响更大，在相同厚度的情况下，增大功率 当换能器辐射面与反射面相距很近时，反射面
空化云形态将向前一形态演化。因为功率对空化结 受到很强的辐射力，使两面无法完全贴合 (近场声
构的影响同样很大，薄层厚度对空化结构的影响并 悬浮)。当我们施加足够的预紧力，使两面相距小于
不唯一，因此文中薄层厚度的绝对值并不具有特别 100 µm 时，换能器薄层中心的空化云均匀分布。外
重要的意义。但是随着薄层厚度的变化，空化结构 围空化云呈现出点状分布 (水包云结构)，这些麻点
的形态及出现顺序具有确定性，因此本文主要从空 不断相互作用，并发生形变。如图2(a1)所示。
