Page 108 - 《应用声学》2021年第1期

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究鲜有报道。
0 引言
本文通过气室实验，研究低频声波作用下液滴
降水过程中云滴、冰晶会与大气中的环境水汽 碰并及其与环境水汽同位素交换特征，并建立了液
发生同位素交换 [1−2] ，室内实验证实液滴(Droplet , 滴与环境水汽同位素交换控制方程，以期通过降水
DP)同位素交换结果表现为重同位素富集 [3−4] 。降 氢氧同位素值区分声波降雨和自然降雨，为室外声
水同位素值变化受到多种因素影响，如水汽同位素 波增雨雪试验效果评价提供理论依据。
值、云层温度、相对湿度、气压以及凝结度等，并表现
出“温度效应”、“降水量效应”、“内陆效应”等 [5−9] 。 1 实验设计
不同降水过程的雨滴氢氧同位素值差异较
1.1 研究问题
大 [10] 可概括为成雨条件不同。以自然降水和声致
凝聚降水过程为例，自然降水是当云层水汽处于 围绕低频声波作用下液滴碰并沉降及其与气
饱和或者过饱和状态时，水汽被凝结核收集形成云 室环境水汽同位素交换等问题，具体研究内容如下：
滴/冰晶进而形成降水 [11] ；声致凝聚降水指的是声 (1) 声波对同位素交换的影响；(2) 液滴粒径对同位
波扰动引起空气介质及液滴的振动 [12] ，促使云滴、 素交换的影响；(3) 液滴同位素值对同位素交换的
冰晶碰撞团聚并产生降水，与声波除雾 [13−14] 原理 影响，研究问题及对应的实验组如表 1 所示。实验
相同。声波作用下，云层液滴与环境水汽产生剧烈 对照水源取为河水和雨水，各水源同位素值不同，以
振动，液滴与环境水汽间的氢氧同位素交换速率与 此消除水源本身同位素值对实验结果造成的影响。
自然降水明显不同。截至目前，有关低频声波作用 对于同种水源，保持液滴通入量固定仅改变液滴初
下液滴碰并及其与环境水汽氢氧同位素交换的研 始粒径，分析液滴初始粒径对同位素交换的影响。

表 1 研究问题及对应的实验组
Table 1 Experimental groups corresponding to research questions

研究问题 实验组及组合 分析物理量 分析内容
声波对液滴 -环境水汽 A、B、C 液滴同位素值；汇集水同位素值； 分析 A 组、B 组、C 组组内声波作用与自然沉降工况
同位素交换的影响 A+B+C 液滴粒径 液滴与汇集水中氢氧同位素关系并做显著性分析
对比分析 A 组和 B 组组内声波作用与自然沉降
液滴初始粒径对同 液滴同位素值；汇集水同位素值；
A+B+C 工况下汇集水中氢氧同位素关系并做显著性分析，
位素值交换的影响 液滴粒径
C 组为验证组
液滴同位素值对同 液滴同位素值；汇集水同位素值； 对比分析 A 组和 C 组组内声波作用与自然沉降
A+C
位素交换的影响 液滴粒径 工况下汇集水中氢氧同位素关系并做显著性分析

1.2 实验装置 2 m，壁厚为 0.005 m)、环形槽 (间距为 0.04 m)、锥
实验装置由气室、液滴生成装置、声波发生及 形底板以及出水口组成。有机玻璃管及锥形底板内
控制装置、监测装置、水收集装置等组成 (图 1)，各 壁均喷涂超疏水涂料，液滴在气室内沉降后汇集形
组成装置参数如下： 成的液态水 (以后简称汇集水 (Accumulated water,
(1) 液滴生成装置 (图 1(a) 中 1–8)：用于产生 AW)) 与锥形底板直接接触，气室内壁所黏附液滴
5∼300 µm的液滴，模拟大气中的雾滴或者云滴，由 收集于锥形底板的环形槽中。
水泵、进水管、出水管及液滴出口组成。 (4) 监测装置 (图1(a) 中14–17)：采用激光粒度
(2) 声波发生及控制装置 (图1(a) 中17–19)：可 仪 (量程 1∼500 µm) 实时观测液滴粒径及分布，采
产生30∼300 Hz的定频声波，由声波发生器、音频分 样和存储间隔为 1 s。温湿度传感器用于监测气室
配器、低频音源及播放器组成，本实验采用 100 Hz 环境温、湿度，其精度分别为 ±0.1 C 和 ±0.1%。气
◦
声源。 室内声压采用声级计 (北京声望声电技术有限公司
(3) 气室 (图1(a) 中10–13)：声波与液滴作用的 生产的 BSWA308声级计) 测量，采样和保存时间间
空间。由有机玻璃管 (公称直径为 0.6 m，室高为 隔为1 s。