Page 29 - 《应用声学》2022年第5期

第 41 卷 第 5 期 闫博等： 流动微泡群瞬态空化强度时域分布的比例反馈调节 705

据此计算本研究系统微泡完全补充需要24 ms， 脉冲下产生的 ICI 的期望值，并把该期望值乘以脉
PRF c 约为 42 Hz，所以当脉冲重复频率取 10 Hz 和 冲激励的周期数作为总 ICI 的期望值。据此，也确
25 Hz 时，流动微泡群在两束脉冲信号的间隔时间 定脉冲激励信号的初始条件为 PNP = 0.45 MPa，
内可以完全补充进焦区，理论上微泡在溶液中分布 PL = 100 µs，PRF = 10 Hz。
均匀，因此，每个周期的超声作用时焦区内都是全
3
新且数量相同的微泡，产生相同的 ICI。而当 PRF 60 Hz 25 Hz 10 Hz ིࠫ
增大至 60 Hz 时，在第一个周期的脉冲信号激励前， 2
焦区已经充满全新微泡溶液，产生的 ICI 最大，随 ICI/(10 -9 V 2 Ss) 1
后，因为两束激励脉冲间隔约 16.6 ms，小于焦区重 0
新充满全新微泡需要的时间，所以，在第二束激励
-1
0 10 20 30 40 50 60
信号发射到达时，焦区内的微泡由上个周期被作用 ௑ᫎ/s
过后残余的微泡和新补充进的微泡两部分组成，理 (a) PRFѬѿ˞10 Hznj25 Hznj60 Hz௑
论上，在脉冲间隔的 16.6 ms 时间内微泡流过的距 ICIᬤᡔܦͻၹ௑ᫎᄊԫӑ
20
离为 0.83 mm，故新补充进的溶液占焦区总体积的 15 60 Hz 25 Hz 10 Hz ིࠫ
69.6%，因此，有限的新微泡的补充以及残余微泡的 10
2
壳层特性变差，使得 ICI 快速下降至 4 × 10 −9 V ·s， ICI/(10 -10 V 2 Ss) 5
约为第一束激励信号作用下ICI 值的 50%(图5(b))。 0
虽然这和之前的研究确定的微泡溶液浓度较低时， -5 0 0.5 1.0 1.5 2.0
微泡群的 ICI 与浓度成正比的结论基本一致 [19] ，但 ௑ᫎ/s
(b) ڏ5(a)༦ᓤ಴Я0~2 sᄊࡍᦊஊܸڏ
仍然有所差异。原因可能是换能器的声场在 −6 dB
以外的声波对微泡也有影响，新补充的微泡并不能 0 60 Hz
25 Hz
看作是全新的微泡，从而导致理论数值和实测值有 -20 10 Hz
ིࠫ
差异。从图 5(a) 也能看出，在随后的激励信号作用 Ҫဋ/dB
时，焦区在间隔 16.6 ms 内新补充的微泡数量一致， -40
2
因此产生的 ICI 也基本在该水平 (约4 × 10 −9 V ·s) -60
维持 (见图 5(a) 和图 5(b))。图 5(c) 中和对照相比， 0 2 4 6 8 10
宽带信号显著增强表明在 3 种 PRF 下都发生了瞬 ᮠဋ/MHz
(c) PRFѬѿ˞10 Hznj25 Hznj60 Hz௑
态空化，10 Hz 和 25 Hz 的功率谱基本重合，且明显 600˔ᑢф༏ҵʾԯҫᄊҪဋ៨
大于60 Hz的功率谱。 图 5 不同脉冲重复频率下微泡及对照的 ICI 随超声作
2.1.3 瞬态空化强度期望值的确定 用时间的变化及 600 个脉冲激励下叠加的功率谱
Fig. 5 ICI of microbubbles and controls with ultra-
从图 5(a) 也能看出，当 PRF 为 10 Hz 和 25 Hz
sonic exposure time under different pulse repetition
时，在流动系统的第一个循环内 (约为超声作用的
frequencies and the accumulated power spectrum of
前25 s)，激励脉冲发射时充满焦区的都是全新微泡， 600 pulse excitation
因此，ICI 基本维持稳定。随后，尽管所用的 PRF小
于 PRF c ，能够保证焦区在激励脉冲脉冲发射时都 2.2 开环系统中流动微泡群稳定性对瞬态空化剂
充满了全新的微泡，但由于温度、流动环境的影响 量时域分布的影响
以及微泡在第一个循环中发生瞬态空化后破裂，使 为了确定流动系统以及微泡自身稳定性引起
得激励脉冲发射时焦区的流动微泡的数量减少或 的 ICI 随着时间的变化，分别测量了流动微泡群在
者其壳层特性较差，导致 ICI 随着时间呈下降趋势。 循环和不循环流动条件下，当超声条件为 10 Hz 的
因此，考虑到研究目标是在超声作用时间内获取时 PRF、0.45 MPa 的 PNP、100 µs 的 PL、超声作用时
域分布均匀的 ICI，这里考虑将前 100 个激励周期 间为60 s时，ICI随时间的变化。从图6(a)中可以看
内 ICI 的时域分布作为期望分布，同时将前 100 个 出，这两种条件下，在前 25 s 时间内，ICI 值基本相
2
周期内 ICI 的平均值：8 × 10 −9 V ·s 作为每个激励 同且都保持稳定，表明在这一段时间内，脉冲超声