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第 37 卷 第 5 期 陈伟中： 声空化泡对声传播的屏蔽特性 677

体库循环，以保证在整个实验过程中液体的温度和 10
0.7 bar
含气量保持不变。水槽的一端(左)贴有功率超声换 2.0 bar
3.0 bar
能器。为了减少断面的反射，在水槽的另一端 (右) Ĉ ĉ Ċ
放置吸声棉。控制计算机通过 GPIB 总线控制函数 ܦԍ࢏࢏ϙ p pp /10 5 Pa 1
发生器 (33250A, Agilent, US) 发出 40 kHz 的单频
正弦信号，经过功率放大器(2716, B&K, Denmark)
放大，再经阻抗匹配后，驱动换能器，在水中形成
0.1
声场。测量器件为一支低频水听器 (TC4013, Tele- 0 200 400 600 800 1000
ᡰሏ x/mm
dyne RESON A/S, Denmark)。水听器的输出信号 (a) ᯶үܦԍࣨϙѬѿ˞0.7 bar (௄ቇӑ),
2.0 bar֗3.0 bar௑ܦԍѬ࣋
由数字示波器 (Infiniium 54810, Agilent, US) 读出
2.5
和记录，其采样频率设为 2.4 MHz。采集到的水听
器时域信号被转换为频域信号，然后利用水听器的 2.0
频率响应曲线进行校正，输出声压。我们在水槽长 1.5 Ĉ ĉ Ċ
度方向平行地放置一根长度也为 1000 mm 的导轨， Dp/10 5 Pa 1.0
导轨上安装滑块，并将水听器固定在该滑块上，以测 0.5
量液体中沿换能器中心轴线 (图1 中的点划线)上的 0
声场。控制计算机经串口控制步进电机，可将滑块 0 200 400 600 800 1000
精确地移动到指定位置。 ᡰሏ x/mm
(b) ːመదቇӑ᯶үᄊܦԍࣀѬ࣋
图 2 给出了我们的测量结果。当声压低于空化
阈值 (大约 0.8 bar)，比如，声压幅值为 0.7 bar 时， 图 2 水槽中声压和声压差的分布
水槽中的液体并未发生空化现象，其声压分布总体 Fig. 2 Distributions of the pressures and pressure
different in trough
随传播距离增大而衰减 (见图 2(a)中菱形点)。尽管
在容器右端放置了吸声材料，但是槽中的声压仍有 100
较大的驻波成分(见图2(a))。当我们增大声压幅值， 95
声空化发生。图 2(a) 中给出两种典型的有空化情 90
形，即低幅度驱动 (2.0 bar，空心圆点) 和高幅度驱 85 Ĉ ĉ Ċ

动 (3.0 bar，实心方点)。我们根据声压对驱动声压 ۳ᮠܦᑟ᧚ᄊᄈѬඋ/% 80
的响应情况，将空间分为3个区域，即I、II 和III。在
I 区，由于高驱动 (实心方点) 产生了高于低驱动 (空 75 0.7 bar
70 2.0 bar
心圆点) 的声压分布，这是容易理解的。而在 III 区， 3.0 bar
我们发现，高驱动产生了比低驱动更低的声压分布。 65 0 200 400 600 800 1000
换句话说，在远场，驱动声压越高，输出的声压越低。 ᡰሏ x/mm
这出乎我们的意料，我们把它称为反常衰减。为了 图 3 基频声能量与总能量比分布
比较高低驱动下的声压分布，我们定义高、低驱动 Fig. 3 Distribution of the ratio of the fundamen-
下的声压幅度差 (声压差)∆p。图 2(b) 给出了声压 tal and total energies
差的空间分布。容易看出，在 I 区，∆p > 0，是正常 布。对于无空化驱动 (0.7 bar)，声能量基本上都在
衰减；而在 III 区，∆p < 0，是反常衰减；II 区是正常 基波上。但在 250 mm 附近，仍观察到有谐波滋生，
和反常衰减的竞争区域。 但这是其他非线性效应所致，和空化无关。在高低
为了理解这种反常衰减，我们测量了水槽中声 空化驱动下，在I 和II 区有显著的谐波滋生，最低基
场的频谱，计算出基波能量对总能量的比值。对于 波比下降至 70%。而在 III 声能量基本上都是基波
纯基波，比值为100%，随着谐波成分的增加，基波比 能量。这说明在 I、II 区产生的高次谐波已经被液体
下降。图 3 给出了上述 3 种典型驱动下的基波比分 吸收，并未进入 III区。根据图3，我们可以给出反常