Page 213 - 《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 209

泡液体的表面张力系数为 30.45 mN/m 的气泡破 看出，该频谱图中存在一个明显的峰值，此峰值对应
碎时发射的声压图。为便于观察将声压开始发生 的横坐标频率为 305.8 Hz，纵坐标振幅为 24.51 Pa，
明显变化时刻设置为零点，从图 4 中可以看出在 即认为图 5 所代表的特征频率为 305.8 Hz，特征振
t = 0.00018 s 时声压达到峰值，t = 0.00218 s 时气 幅为 24.51 Pa。从图 5 中还可以看出环境噪声峰主
泡破碎完成。 要集中在 0 ∼ 140 Hz；而气泡破碎时声发射过程峰
则更加宽大。两者区别较大，即使重叠也易进行识
1.0 别。值得注意的是，频谱图描述的是某一时刻或某
一短时间内的振幅与频率，与时间进程无关。
0.8
0.6
ܦԍ/Pa 0.4 2 实验结果与讨论

0.2 2.1 表 面 张 力 系 数 对 气 泡 破 碎 过 程 声 学 特 性
的影响
0
改变吹制气泡液体的表面张力系数时，气泡破
-0.2
-0.001 0 0.001 0.002 0.003 碎过程辐射声压的时域信号如图 6 所示，对不同表
௑ᫎ/s
面张力系数对应的时域信号进行频谱分析，得到
图 4 气泡破碎时辐射的声压图 气泡破碎过程特征振幅与特征频率随表面张力系
Fig. 4 Sound pressure diagram of bubble bursting 数变化的变化趋势，如图 7 所示。其中误差的计算
方法为
1.2.3 气泡破碎过程的特征振幅 v
u n
1
u ∑ 2
气泡破碎过程持续时间较短，其破碎过程发出 s = t (s i − s) , (18)
n
的声频信号为连续信号。为准确分析气泡破碎时的 i=1
声发射过程，本文对气泡破碎时的声压信号进行了 其中，n = 5，不同工况下气泡破碎实验均至少重复
频谱分析，通过比对环境的频谱图与含有声压信号 了5次。
的频谱图，来尽量降低环境噪声的影响。
σ=29.10 mN/m
为便于且更好地分析气泡破碎时的声学特性， 1.0 σ=30.45 mN/m
对记录得到气泡破碎时的声压图进行了快速傅里 σ=40.73 mN/m
σ=44.88 mN/m
叶变换 (Fast Fourier Transform, FFT)，得到了气 σ=48.51 mN/m
ܦԍ/Pa
σ=54.91 mN/m
泡破碎过程的频谱图，如图 5 所示。从图 5 中可以 0.5
80
0
ඡจᆡᆿܦԍᮠ៨ηՂ
ဗܒᮠ៨ηՂ
60
-0.5 0 0.002 0.004 0.006 0.008
૝ࣨ/Pa 40 ࢏ϙ ௑ᫎ/s

图 6 表面张力系数对气泡破碎过程辐射声压的影响
20
Fig. 6 Effect of surface tension coefficient on ra-
diation sound pressure during bubble bursting
0
0 500 1000 1500 2000 2500 实 验 发 现 半 径 为 5.23 mm、 液 膜 厚 度 为
ᮠဋ/Hz 0.0055 mm 的气泡破碎时声发射的特征振幅会随
着表面张力系数的增大而增大，而气泡破碎时声发
图 5 气泡破碎辐射声压的频谱图
Fig. 5 Spectrum diagram of ambient sound pres- 射的特征频率则变化不大，这是因为随着表面张力
sure and bubble breaking sound pressure 系数的逐渐增大，气泡内外的压强差 ∆P = 4σ/r 0