Page 70 - 《应用声学》2021年第6期
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超声空化结构是近年来备受关注的一种空化
0 引言
结构，但对其复杂的空化形态和流场结构还没有很
好的认识，还需要进一步的研究。本文采用高速摄
超声波在液体中的瞬态压力变化会产生大量
像系统和 PIV 系统分别对超声场作用下的锥形空
的空化气泡 [1] 。气泡在溃灭时会形成高速射流和
冲击波，并伴随着大量能量的释放 [2] 。由空泡溃灭 泡结构及其流场结构进行详细研究。本研究的目的
引起的这种高温、高压的极端条件可应用于污水 是：(1) 研究锥形空泡形态的瞬态演化规律和声流
处理 [3] 、材料萃取 [4] 、化学反应 [5] 和靶向治疗 [6] 等 流场的速度测量；(2) 研究声流结构在不同输入功
领域。然而，超声空化的广泛推广仍然受到宽带噪 率作用下的时均速度场。
声 [7] 、空蚀损伤 [8] 和结构振动 [9] 等问题的限制。为
1 实验设备
了解决上述问题，明确超声空化流场的结构，优化超
声设备的产品设计，需要进一步对超声空化形态和 图 1 为研究超声场下锥形空泡结构的实验装
声流场结构进行详细和全面的研究。 置的示意图。实验装置由超声空化装置、高速成
为了研究超声场作用下的空化形态，大量研究 像系统和速度测量系统组成。本实验采用的超声
者采用全流场显示技术研究了超声空化的瞬态演 处理器 (88-1 型，中国科学院声学研究所) 的工作
化过程。Moussatov 等 [10] 采用电子图像拍摄系统 频率为 18 kHz；换能器为直径 (D) 为 20 mm 的圆
研究了超声频率为 20.7 kHz时的空化形态。结果表 柱形辐射面，并做简谐运动的活塞振动；该设备
明，在变幅杆附近产生了由大量微气泡构成的锥形 的控制单元可以实现不同输入电流的精确控制
空化结构(Conical bubble structure, CBS)。该特殊 与数值读取，而输入电压恒定保持为 220 V，因
形态的空化结构受变幅杆和超声声强的显著影响， 此，通过调节输入电流即可实现不同输入功率
并且形成机理可由一阶 Bjerknes 原理进行定性解 (P in = 50 ∼ 250 W) 的精确控制。换能器浸入水箱
释。Mandroyan 等 [11] 利用激光断层扫描技术研究 (300 mm × 170 mm × 160 mm) 中，且辐射面与水
了在 20 kHz 和 40 kHz 变幅杆附近锥形空泡结构的 箱底部的距离为 7D。水箱水温控制在 25 C 左右。
◦
瞬态变化。研究结果表明，变幅杆的存在显著影响 与蒸馏水中的超声空化结构相比，在相同的超声功
了锥形空化区的瞬态演化过程。Viennet等 [12] 采用 率作用下，自来水中能得到相同的空化气泡结构，但
片状激光可视化系统研究了超声反应器中的空化 所含的空化气泡更多 [17] 。因此，本文为了在高速摄
结构，发现锥形空化结构均匀分布在超声变幅杆径
像系统的拍摄过程中获得更清晰的空化结构，实验
向同心圆上。Luo 等 [13] 对不同输入功率下 20 kHz
中采用自来水来降低空化阈值。
处的 CBS 空化和空化进行了实验研究，研究表明，
当超声设备输入功率为 300 W 时测试材料边缘的
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空化现象比中心处更为严重。 88-1یᡔܦ ႃᑨ
尽管采用全流场显示技术可以对超声场作用
下的锥形空泡结构进行图像观察，但该方法对其 ༏А
流场结构瞬态演化过程仍缺乏定量的数据分析与
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研究。Frenkel 等 [14] 采用粒子图像测速仪 (Particle
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image velocimetry, PIV) 研究了超声场作用下的流
场结构瞬态演化过程。研究结构表明，超声波强度 图 1 实验系统示意图
Fig. 1 Schematic diagram of experimental system
与声流 (Acoustic streaming) 速度峰值呈正线性相
关关系。Layman等 [15] 采用PIV和红外热像仪同步 为了实现锥形空泡的图像采集，使用采集速率
测量技术研究了 20 kHz 时空化区域温度与声场的 高达 100000 帧/s 的电荷耦合器件 (Charge coupled
关系。研究结果表明，相对较小的流动黏度变化可 device, CCD) 相机对空化气泡进行捕捉。本文中使
以改变热量的产生。Chouvellon 等 [16] 采用 PIV 观 用的 CCD 摄像机的分辨率为 1024 × 1024 像素。光
察了不同声功率、实验水深和流体黏度等因素对声 源位置和高速摄影机 (拍摄角度) 位置可以调整，以
流速度的影响。 获得更好的拍摄效果。此外，本文采用 PIV 测量声
