Page 80 - 《应用声学》2019年第6期

982 2019 年 11 月

表 1 空气、水的物性参数 (20 ℃) 在非共振区如气泡粒径较大时，吸收系数的量级与
Table 1 Parameters of the medium and 散射系数相比很小，表明黏性阻尼项的影响减小，而
particle used in the numerical calculation 声波的弹性散射效应占了主导地位。

水 空气 10 5 Q scatt, 0.1 MPa
10 4 Q scatt , 0.6 MPa
密度/(kg·m −3 ) 998 1.21 Q scatt , 1.5 MPa
10 3 Q abs , 0.1 MPa
压缩波速/(m·s −1 ) 1481 334.3 Q abs , 0.6 MPa
10 2 Q abs , 1.5 MPa
剪切黏度/(N·s·m −2 ) 0.001 1.81 × 10 −5 Q
10 1
2.1 单气泡声散射特性 10 0
10 -1
由前述及，气泡散射是由无数次谐波的贡献组
10 -2
成，数值上也随谐波阶数增加逐渐收敛。为确定单
0.1 1 10 100
气泡声散射随谐波阶数 l 的变化，以无因次尺寸参 a/µm
量 ka = 5 为例，设置不同谐波阶数调试程序。图 1
图 2 散射系数及吸收系数随气泡半径变化
给出具有不同谐波阶数的单气泡散射强度分布，可
Fig. 2 Scattering and absorption coefficient as a
以看出不同阶谐波对声散射的贡献度，当谐波阶数 function of bubble radius a
依次递增时，散射旁瓣数表现出先增加后减小的趋
声波在介质中传播时，其与颗粒、连续相介质
势，散射强度分布逐步稳定并表现为较强的前向散
产生相互作用，从而强度随着传播距离的增加而逐
射 (与选取的 ka 值有关)。当谐波阶数增加到 5 时，
渐减弱的现象称为声衰减 [11−12] 。在不考虑声源本
结果已趋于稳定，至阶数为 8∼10时基本重合，为兼
身的特性时，声波传播过程中的衰减仅考虑吸收衰
顾计算准确性及效率，后文中按l = 10计算。
减和散射衰减 [13−15] ，而消声系数可用于表征由散
l=0
90O l=1 射和吸收效应引起的声衰减特性。图3 给出了不同
0.012 120O 60O
l=3
0.010 频率和压力条件下消声系数的变化趋势，可以看出，
l=5
0.008 l=8
150O 30O 声波频率一定，随静压力的增加，共振区间右移且
0.006 l=10
消声系数的峰值减小，这表明声散射和吸收的总效
0.004
0.002
180O 0O
0 应减弱(结合图2)，即声波的衰减减小。在共振区右
0.002 侧，消声系数数值上呈递减趋势。从图 3 中还可以
0.004
0.006 330O 看出，静压力一定 (0.1 MPa)、声频率 0.5 MHz 时消
210O
0.008
0.010 声系数的峰值较 5 MHz 时峰值大，这表明此时共振
0.012 240O 300O
270O 区的衰减效应更明显。
图 1 单气泡散射强度分布随谐波阶数的变化 10 4
Fig. 1 Scattering intensity distributions with dif-
10 3
ferent orders l
10 2
进一步探究在有黏条件下单气泡的声散射特 10 1
性，讨论气泡散射系数及吸收系数随粒径的分布 Q ext
10 0
规律及不同静压力及频率下消声系数的变化趋 0.1 MPa, 5 MHz
0.1 MPa, 1 MHz
势。图 2 为声波频率 f = 5 MHz，气泡半径范围为 10 -1 0.1 MPa, 0.5 MHz
0.3 MPa, 0.5 MHz
0.5 MPa, 0.5 MHz
0.2∼50 µm，在不同的静压力 (0.1 MPa、0.6 MPa、 10 -2
0.1 1 10 100
1.5 MPa)下，散射系数及吸收系数随气泡半径的变 a/µm
化。可以看出，在共振区，吸收系数的数值明显大 图 3 不同压力及频率下消声系数随气泡半径变化
于散射系数，原因在于共振引起了声能的剧烈耗散。 Fig. 3 Extinction coefficient as a function of a