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第 37 卷 第 5 期 白立新等： 液体薄层中的超声空化 627

薄层内的空泡直径与厚度相关，其关系相对稳 本保持稳定；当薄层厚度为 1.23 mm 时，突然开机，
定；薄层内的空化云内的空泡密度并不均匀，边界处 声强突然增加，空化云面积比例从 0 跃升至 26% 左
2
空泡密度较大 (8∼12 个/mm )，内部空泡密度较小 右，并基本保持稳定。可以看出，虽然空化云在薄层
(5∼8个/mm )，但两者都相对稳定。而又因为空化 内不断移动，但是空化云面积基本稳定，空泡数基本
2
云边界长度相对稳定 (如图 22、图 23 所示)，所以可 稳定，空化云分布相似，可以证明这是两种准稳态的
以利用空化云面积估测空泡数目(如图26所示)。 空化结构。当分别对厚度为0.82 mm 和1.23 mm 的
薄层空化云进行射流补核时，空化云面积增大，射流
结束后，面积又回归初始状态，可见空化云结构受到
扰动后能保持相当的稳定性。如果将声强为零的状
态和射流稳定的状态也视为一种稳态空化结构，那
么空化云的初生过程说明声强变化使空化结构之
间实现相互转化。
为了进一步说明空化结构之间的相互转化，我
(a) ௄ቇӑᄊ૱ᑟ٨ᣣ࠱᭧ (b) ᣣ࠱᭧ʽᄊቇӑፇ౞
们对 40 kHz 的薄层空间在 1000 fps 的帧频率下进
行高速摄影，同时步进电机驱动薄层尺寸从 3 mm
匀速地减小至接近0 mm (因为辐射力的存在，薄层
最薄时约为几十微米)，然后再匀速增加到4 mm，我
们按前述方法对空化云面积进行估算，可以发现，随
着薄层面积的变化空化云面积和分布也在变化 (如
图28所示)。
(c) ԝᑀఀ (d) ̄ϙӑ
在声强发生变化时，空化云从一种结构过度到
图 26 空化云区的二值化 另一种结构，在其空泡空间分布变化的同时，其空泡
Fig. 26 Example of converting the grayscale im- 数很可能发生变化 (如图 29、图30 所示)。如果声强
ages to binary images for the cavitation area 不变，我们对一个小的边界清晰的空泡群中的可识

我们对白色区域按像素求和即可估算出空化 别的空泡在其膨胀到最大尺寸时的空泡数进行统
云的面积或空化云面积占换能器面积的比例。我们 计 (如图 31 所示)，发现空泡数并不是固定不变的。
对四次实验的以500 fps的拍摄速度拍摄的近10000 空泡溃灭至最小体积前后可能发生分裂、合并、湮
张高速摄影照片进行类似的处理，从而得到空化云 灭或者空泡可能长期处于整流扩散状态没有达到
面积随时间的变化曲线(如图27所示)。从图中可以 共振尺寸而尺寸太小无法识别，或空泡在长期蛰伏
看出，当薄层厚度为 0.82 mm 时，突然开机，声强突 后突然达到共振半径而突然长大等等。这些都影响
然增加，空化云面积比例从0跃升至40%左右，并基 每个周期的空泡数。

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80 ̄൓࠱ื
ʼ൓࠱ื
60
ᄈѬඋ/% 40 h=0.82 mm

20
h=1.23 mm
0
0 1 2 3 4 5 6
Ѻၷ ௑ᫎ/s

图 27 空化面积随时间的变化 (f = 20 kHz)
Fig. 27 Variation of cavitation area with time (f = 20 kHz)