Page 209 - 《应用声学》2024年第1期

第 43 卷 第 1 期 段润泽等： 自由空间内悬挂气泡破碎时的声学特性 205

的缩小与气泡平均粒径的降低，辐射声压的功率谱
0 引言
密度由集中分布在 2 ∼ 8 kHz 开始向高频率分散。
气泡的发生、膨胀、凝并和破碎，是生活中的常 Spencer 等 [10] 发现含有声发射信号的傅里叶功率
见现象。气泡也普遍存在于蒸发器、鼓泡反应器、介 谱中的峰值频率可反映下降管内的主要气泡尺寸。
质雾化器等涉及气液两相流动的工业设备中。气泡 Deane 等 [16] 通过实验观察并记录了自由液面处气
破碎时会显示出一定的声学特性，对气泡行为的声 泡破碎时辐射声压的亥姆霍兹振荡时变频率，发现
学特性进行记录并分析可在一定程度上了解气泡 该频率与液膜寿命有关，经历 560 ms 破碎的气泡
自身的性质与所处的状态，因此可对涉及到气泡的 的频谱图中所对应的频率为 5 ∼ 15 kHz，而经过
气液两相流工业设备进行声发射监测，以便更好地 100 ms 破碎的气泡的频率为 2 ∼ 4 kHz。除了研究
掌握各项参数。声发射监测是一种动态无损的检测 气泡物理性质对频率的影响，还有学者关注了气泡
方法 [1] ，该方法具有较高的采样频率，可以完整详 物理性质对其他方面的影响。Husin等 [17] 实验研究
细地记录具有某些特征的声发射信号，目前已广泛 了上升气泡在自由液面处的破碎过程，发现当液体
应用于气液两相流中的流形转变研究 [2] 、空气夹带 黏度为 1 cP 时，随着气泡尺寸的增加，自由液面处
研究 [3−4] 与液相含气率研究 [5] 等，其在海底气体排 气泡破碎的声发射幅度、持续时间、能量和上升时
放 [6−7] 以及医疗领域 [8] 也应用较广；在工业领域， 间都会增加。Husin 等 [18] 也发现，当改变液体的黏
可将其用于识别冷凝状态 [9] ，对浮选机性能进行检 度时，上升气泡在自由液面处破碎时声压的上升时
测 [10] 等。 间也会受到影响，液体黏度的增大会使上升时间变
锅炉汽包是火力发电、核能发电系统中的重要 短。Divoux等 [19] 实验研究了气泡在非牛顿流体液
一部分，汽包中的水在沸腾过程中会产生大量气泡， 面处破碎过程的声学特性，由于非牛顿流体的特性，
其中的大部分气泡会上升至气液交界处破碎，然而 气泡在重力方向上被拉长，发现气泡长度越大，谐振

少量气泡移动速度较快，会运动至锅炉汽包的气空 波波长越长。
间内破碎。一方面，汽包内气泡破碎时会产生大量 学者也关注了位于液体表面上的气泡，与处于
液滴，夹杂着这些液滴的高速蒸汽流进入二回路会 动态过程中的浮动上升气泡不同，由于液面呈水平
造成管道、关闭件的腐蚀，以及汽轮机叶片的气蚀， 无内凹，因此附着在液体表面上的气泡呈半球状，可
影响汽轮机寿命 [11] ；另一方面，锅炉汽包气空间内 被理解成为半个气泡。Liu等 [20] 记录并分析了静止
为高温高压高湿的恶劣环境，在恶劣环境下微小的 在深度为 2.5 mm 的溶液表面处气泡破碎过程的声
扰动会被放大 [12] ，若扰动的频率与设备固有频率一 发射，所研究的气泡半径范围为8 ∼ 22 mm，实验观
致，则整个系统会形成共振，导致扰动被进一步放 察到气泡在经过一段时间的重力排液过程后发生
大 [13] ，对设备造成不良影响，本文主要关注了位于 破碎，发现气泡内部体积会影响气泡破碎声信号的
气空间(自由空间)内气泡破碎过程的声学特性。 基频 (功率谱第一个峰对应的频率)，气泡内部体积
关于气泡破碎过程的声学特性，学者们主要关 越大基频越小。
注了在气液边界处破碎的界面气泡，通过实验研究 从上述文献中可以看出，位于自由液面处气泡
了气泡从液体内部浮至气液边界后再破碎过程中 破碎过程的声学特性与气泡自身的物理性质、构成
气泡振荡等行为以及气泡破碎过程的声学特性，并 气泡溶液浓度等因素有关。目前关于气泡破碎过程
总结出了一些规律。Spiel [14] 定量观测了自由液面 声学特性的研究工作主要集中在位于自由液面处
处气泡破碎时辐射的声压。Ding 等 [15] 研究了多气 的气泡：包括由液体内部浮至自由液面处的气泡，
泡在自由液面处破碎过程的声压场，发现了对声 其上半部分与空气接触，下半部分则沉浸在液体中；
压场有贡献的 3 种不同的辐射机制：薄液膜的不稳 静止在液体表面上的气泡，其上半部分与空气接触，
定性导致的爆裂之前气泡表面的振荡，气泡破裂导 下半部分与水平液面接触，呈半球状。目前少有文
致的脉冲辐射，以及由破裂的气泡激发的来自相邻 献关注运动至自由空间内气泡破碎过程的声学特
气泡的振荡。Ding 等 [15] 也发现气泡振荡产生的频 性，尽管位于自由空间内气泡的破碎过程与自由液
谱与气泡大小有很好的相关性：随着气泡半径范围 面处气泡的破碎过程具有一定的相似性，但由于气