Page 62 - 《应用声学》2022年第5期

738 2022 年 9 月

气泡的声化学效应和气泡收缩时的温度和压 的是绝热模型，没有考虑到传热引起的气泡内部温
强有很大的关系，高温和高压的环境更有利于声化 度降低，所以计算得到的 T max 和 p max 会比真实值
学反应的进行 [22] 。在求得不同时刻的气泡半径后， 高。然而在一定程度上仍足以说明使用方波比使用
可根据公式 (7) 和公式 (8) 计算气泡收缩时的最大 正弦波更有利于声化学反应的进行。
温度 T max 和最大压强 p max 。计算时依据文献 [23]， 2.2 驱动频率对气泡动力学的影响
设置公式 (8) 中 P v = 2338 Pa。设置驱动声压幅度
保持其他参数不变，将公式 (3) 中驱动频率 f
5
P us 在0.2×10 ∼1.0×10 Pa之间变化，求出方波和 依次设置为 25 kHz、30 kHz 和 35 kHz，进行数值计
5
正弦波驱动下两气泡的 T max 和 p max ，如图 3 所示。 算，得到的双气泡半径和气泡间次 Bjerknes 力的变
在驱动声压幅值 (P us ) 较低时，与正弦波驱动的情 化曲线如图 4 和图 5 所示。由图 4 可以看出，随着驱
形相比，方波驱动为 T max 和 p max 带来的提升效果 动频率的增加，气泡能够达到的最大半径逐渐减小。
不明显。但随着P us 的增大，两种波形驱动下两气泡 这是由于频率升高使得每个声周期中负压时间缩
的 T max 和 p max 的差异越来越大。这表明当驱动声 短，气泡膨胀时间变短，气泡来不及生长到更大的尺
压较高时，方波对声化学反应的提升效果更为明显。 寸。另外，频率的增加也会使得气泡体积变化速率
需要指出的是，文献 [19] 计算 T max 和 p max 时采用 变小，气泡间次Bjerknes力的幅度也会减小(图5)。

4000 10 8
வฉ (ඡจ1) வฉ (ඡจ1)
வฉ (ඡจ2) வฉ (ඡจ2)
൤ऺฉ (ඡจ1) ൤ऺฉ (ඡจ1)
3000
൤ऺฉ (ඡจ2) ൤ऺฉ (ඡจ2)
10 7
తᰴພए/K 2000 తܸԍू/Pa

10 6
1000

0 10 5
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
᯶үܦԍࣨϙ/(10 Pa) ᯶үܦԍࣨϙ/(10 Pa)
5
5
(a) తᰴພए (b) తܸԍू
图 3 不同幅度声压驱动下两气泡内部最高温度和最大压强
Fig. 3 Maximum pressure and temperature in bubbles with different driving amplitudes

100 100 100
ඡจ 1 ඡจ 1 ඡจ 1
80 ඡจ 2 80 ඡจ 2 80 ඡจ 2

ӧय़/µm 60 ӧय़/µm 60 ӧय़/µm 60
40
40
40
20 20 20
0 0 0
0 10 20 30 40 0 10 20 30 0 10 20
௑ᫎ/µs ௑ᫎ/µs ௑ᫎ/µs
(a) f=25 kHz (b) f=30 kHz (c) f=35 kHz

图 4 不同驱动频率时气泡的半径变化
Fig. 4 Bubble radii under different driving frequencies