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PCB138A05 沖擊波傳感器. PCB GK291D02 力錘組件箱. PCB M112A壓力傳感器. PCB M119A02 壓力傳感器. PCB209C01 壓力傳感器. PCB 333B32 加速度傳感器利用 “液電效應(yīng)”,高壓脈沖放電可以在水中產(chǎn)
生高強(qiáng)度的沖擊波[1]。基于這一原理制造的等離子
體聲源的輸出聲脈沖壓力幅值遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的壓電陶
瓷換能器,其可控性和可重復(fù)性也優(yōu)于爆炸式聲源。
由于具有上述特點(diǎn),該聲源在遠(yuǎn)距離目標(biāo)探測(cè)、海底
地聲剖面測(cè)量、水下安保目標(biāo)處置[2]等領(lǐng)域都具有廣
闊的應(yīng)用前景。
水下等離子體聲源系統(tǒng)主要由電源、放電電極和
傳輸線等構(gòu)成。類(lèi)似于電磁波利用拋物面天線進(jìn)行
定向發(fā)射的方式,在放電電極的末端安裝凹面反射裝
置可以 達(dá) 到 聲 能 聚 束 或 聚 焦 的 效 果[3]。根 據(jù) 文 獻(xiàn)
[4],源于反射面末端的衍射波將使得經(jīng)曲面反射后
的強(qiáng)聲波脈沖波形發(fā)生變化,即在脈沖的正壓段后面
緊跟一負(fù)壓段[4]。
懸浮固體顆粒和空穴等的存在將使得水中具有
一定數(shù)量的氣泡核,氣泡核的存在將會(huì)極大地降低水
的空化閾值。Akulichev等人[5]對(duì)世界各地海水的
空化閾值進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量,得出在10m 深度范圍內(nèi),
10kHz聲波頻率作用下,海 水 的 空 化 閾 值 在 180~
560kPa之間。在聲波負(fù)壓相的作用下,氣泡核將會(huì)
發(fā)展成為空化氣泡,并出現(xiàn)成長(zhǎng)、擴(kuò)張和收縮等周而
復(fù)始的過(guò)程。氣泡在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中將通過(guò)熱傳遞和粘
滯摩擦與周?chē)乃橘|(zhì)交換能量,在氣泡的每一次坍
縮時(shí)刻也將釋放較強(qiáng)的壓力脈沖。氣泡的運(yùn)動(dòng)需要
從入射脈沖聲波中吸收能量,空化氣泡的產(chǎn)生必然會(huì)
對(duì)強(qiáng)聲波脈沖的傳播造成影響。因此,開(kāi)展對(duì)強(qiáng)聲波
脈沖作用下空化氣泡的運(yùn)動(dòng)及其聲能釋放的研究對(duì)
聲傳播物理規(guī)律的認(rèn)識(shí)及聲源的優(yōu)化設(shè)計(jì)都具有實(shí)
際意義。
水下等離子體聲源的概念提出較晚,國(guó)內(nèi)外對(duì)該
領(lǐng)域相關(guān)問(wèn)題的研究還處在起步探索階段[6-8]。錢(qián)祖
文[9]等人通過(guò)理論推導(dǎo)得出了氣泡在大振幅條件下
的運(yùn)動(dòng)方程;王成會(huì)[10]等人就空化氣泡對(duì)液體中超
聲波傳播的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬,指出空化氣泡的存
在可以使得聲速減小,聲衰減系數(shù)增大;陳謙[1]等人
對(duì)超聲波聲孔效應(yīng)中的空化氣泡動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究,
得到了不同聲學(xué)和氣泡參數(shù)下的穩(wěn)態(tài)空化域和最佳
空化帶范圍。N.Mehrshad
[2]等人提出了測(cè)量氣泡
尺度分布的圖像處理方法,該方法可以對(duì)粘連氣泡進(jìn)
行很好的分割。
通過(guò) PCB壓力傳感器和高速攝影的方法對(duì)沿反
射罩軸線的壓力波演化和聲能聚焦區(qū)域的氣泡運(yùn)動(dòng)
進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量,并用 Gilmore方程和 Bernoulli方
程對(duì)強(qiáng)聲波脈沖壓力作用下氣泡的運(yùn)動(dòng)過(guò)程及聲脈
沖輻射進(jìn)行了數(shù)值模擬和分析。
1 實(shí)驗(yàn)研究
1.1 實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)量方法
為了對(duì)水下強(qiáng)聲波脈沖引發(fā)的空化氣泡運(yùn)動(dòng)和
聲輻射進(jìn)行觀測(cè),建立了如下的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
圖1為實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)的上視圖,該系統(tǒng)主要由水
箱、等離子體聲源、高速相機(jī)、壓力傳感器和數(shù)據(jù)采
集、顯示和存儲(chǔ)設(shè)備構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)水箱由3mm 厚的不
銹鋼板焊接而成,水箱的底部和四周安裝了承重加強(qiáng)
肋,水箱長(zhǎng)2m,寬和高各1m。為了對(duì)橢球反射罩的
焦區(qū)進(jìn)行觀察,在水箱的中部?jī)蓚?cè)各開(kāi)了一個(gè)由有機(jī)
玻璃制成的直徑20cm 的透光窗。等離子體聲源的聚
能反射罩為不銹鋼制成的旋轉(zhuǎn)半橢球面,長(zhǎng)半軸為
50cm,短半軸為25cm,截?cái)嗪蟮拈L(zhǎng)半軸為30cm。放
電電極為銅電極,電極尖-尖間隙距離在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中
設(shè)定為 2mm,充 電 電 容 為 1μF,放 電 電 壓 在 12~
20kV 的范圍內(nèi)可調(diào)整。
圖1 水下實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)示意圖
Fig.1 Schematicpictureofexperimentalsystem
(1)高速攝影
為研究強(qiáng)聲波脈沖的空化氣泡運(yùn)動(dòng)過(guò)程,建立了
由光源和高速相機(jī)組成的測(cè)量系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)。具體方
法是,在 水 箱 的 一 側(cè) 使 用 位 于 透 鏡 1 焦 點(diǎn) 處 的
532nm 波長(zhǎng)激光器作為背景光源,激光器發(fā)出的綠
光經(jīng)透鏡1折射后變?yōu)槠叫泄馐?并穿過(guò)透光窗口照
亮測(cè)量區(qū)域。在水箱的另一側(cè),光線經(jīng)透鏡2后在其
焦點(diǎn)處成像,再經(jīng)刀片遮擋并通過(guò)透鏡3進(jìn)入高速相
機(jī)(FASTCAMSA1.1型,PHOTRON 公司,拍攝速
度為 16×104 幀/s)。實(shí) 驗(yàn) 采 用 的 透 鏡 焦 距 都 是
50cm,直徑10cm,通光口徑大于9cm。高速相機(jī)的拍
攝區(qū)域?yàn)闄E球反射罩第二焦點(diǎn)附近2.7cm×5.4cm
的矩形區(qū)域。由于相機(jī)的拍攝時(shí)間受到存儲(chǔ)容量的
限制,為了減小等待時(shí)間,專(zhuān)門(mén)制作了帶電磁屏蔽盒,
由 TTL 延時(shí)電路和觸發(fā)光耦組成的延時(shí)觸發(fā)裝置
(延遲時(shí)間為0.6ms)。在電極的高壓輸入端,用分壓
電阻引出一路信號(hào)到觸發(fā)盒,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間延遲再觸
發(fā)高速相機(jī)工作。此時(shí),強(qiáng)聲波脈沖正好到達(dá)橢球反
射罩的第二焦點(diǎn)處。
(2)壓力測(cè)量
為了實(shí)現(xiàn)壓力信號(hào)的同步測(cè)量,在反射罩的軸線
上布置了 5 個(gè) 測(cè) 量 點(diǎn),距 電 極 中 心 的 距 離 分 別 為:
0.23m(1# )、0.43m(2# )、0.64m(3# )、0.86m(4# )
和0.95m(5# ),其中1# 測(cè)量點(diǎn)位于反射罩出口處,
4# 測(cè)量點(diǎn)位于橢球反射罩的第二幾何焦點(diǎn)上。等離
子體放電產(chǎn)生的強(qiáng)聲波脈沖壓力信號(hào)經(jīng) PCB138A05
傳感器采集后,一路在數(shù)字示波器上直接顯示;另一
2 實(shí) 驗(yàn) 流 體 力 學(xué) (2013)第27卷
路經(jīng)過(guò) NI-482A22信號(hào)調(diào)理儀處理,再通過(guò)8通道
的 PXI-5105數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)入電腦存儲(chǔ),測(cè)量得到的
結(jié)果可通過(guò) Labview○R 軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。
(3)圖像處理
為了提取氣泡運(yùn)動(dòng)的信息,需要對(duì)高速相機(jī)拍攝
到的照片進(jìn)行圖像處理,處理內(nèi)容包括:圖像增強(qiáng)、圖
像分割、形態(tài)學(xué)上的閉操作以及邊緣檢測(cè)等。按照以
上步驟,編寫(xiě)了基于 MATLAB 平臺(tái)的圖像處理程
序,經(jīng)過(guò)處理可以得到用像素表示的氣泡半徑。氣泡
實(shí)際半徑的獲取還需要進(jìn)行圖像校正。由于拍攝點(diǎn)
垂直于空化區(qū)域,不考慮光線折射帶來(lái)的氣泡形變誤
差,只使用線性校正的方法[13],即通過(guò)比較相同測(cè)量
條件下已知尺寸的參考圖片,計(jì)算每個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的
實(shí)際尺寸,然后將其應(yīng)用到氣泡圖像中,從而得到氣
泡的真實(shí)尺寸。校正參考照片為相同位置處的圓柱
形壓力傳感器。為減小隨機(jī)誤差,對(duì)同一次測(cè)量的
20幅照片中傳感器的水平方向的像素取平均,最終
得到的像素標(biāo)定值為12.4pixel/mm。
1.2 測(cè)量結(jié)果
在橢球反射罩的第二焦點(diǎn)附近,強(qiáng)聲波脈沖經(jīng)過(guò)
之后觀 察 到 了 空 化 氣 泡 群 的 產(chǎn) 生[4]。就 空 化 氣 泡
(群)的產(chǎn)生原因來(lái)看,有以下兩種情況:(1)不存在
外加聲場(chǎng),即距離氣泡中心無(wú)窮遠(yuǎn)處的壓力等于環(huán)境
壓力。根據(jù)相平衡理論和亨利定律[14],溫度升高或
(和)壓力降低將導(dǎo)致氣泡壁附近的“殼層”中溶解氣
體的濃度降低,逸出的氣體進(jìn)入空腔從而使得氣泡的
體積增大。(2)存在外加聲場(chǎng),即距離氣泡中心無(wú)窮
遠(yuǎn)處的壓力等于環(huán)境壓力與外加聲場(chǎng)之和(P∞ = P0
+ Pac)。在聲波負(fù)壓相(Pac <0)的作用下,氣泡內(nèi)壓
將大于環(huán)境壓力,從而引起氣泡的膨脹。顯然,在實(shí)驗(yàn)
條件下,環(huán)境壓力和溫度的改變很小,高速相機(jī)拍攝到
的氣泡運(yùn)動(dòng)是由外加聲場(chǎng)引發(fā)的。
空化氣泡群中具有代表性的相對(duì)獨(dú)立的單個(gè)氣
泡在一個(gè)周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖2所示。從圖2可
以清楚地看到一個(gè)周期內(nèi)氣泡膨脹和坍縮的物理過(guò)
程。值得注意的是,在t=75~82μs之間,由于受到
附近小氣泡的影響,氣泡在坍縮時(shí)有射流釋放,在射
流反作用力和浮力的共同作用下,空化氣泡在空間位
置上會(huì)發(fā)生平動(dòng)。
在充電電容C=1μF,放電電壓18kV,電極間隙
2mm,水的電導(dǎo)率G=0.037S/m,環(huán)境溫度為20℃,
壓力p0 =1.01×105Pa的工況下,沿反射罩軸線在
1# 測(cè)點(diǎn)用 PCB138A05壓力傳感器測(cè)得的反射強(qiáng)聲
波脈沖波形如圖3所示。
圖2 一個(gè)周期內(nèi)的氣泡運(yùn)動(dòng)過(guò)程
Fig.2 Bubbledynamicsduringacycle
圖3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量的水下強(qiáng)聲波脈沖波形(1# 測(cè)點(diǎn))
Fig.3 Intensiveacousticpulsewaveformrecordedbyexperiment
圖中,脈沖壓力幅值已做了歸一化處理。在焦前
區(qū),典型的脈沖反射波形結(jié)構(gòu)包含了中心波“C”,尾
波“W”和邊緣波“E”,中心波的壓力為正,尾波和邊
緣波的壓力為負(fù)。根據(jù)文獻(xiàn)[4],反射波形的特殊結(jié)
構(gòu)是由橢球反射罩上的聲波衍射效應(yīng)產(chǎn)生的。
2 理論模型
2.1 空化氣泡運(yùn)動(dòng)
不考慮壁面的影響及氣泡之間的相互作用,單
個(gè)球形氣泡的非線性脈動(dòng)可以通過(guò) Gilmore方程來(lái)
表示
RR
··
(1)
其中,R 為氣泡的半徑,上標(biāo)表示對(duì)時(shí)間的全導(dǎo)數(shù),C
為氣泡壁周?chē)后w中的有限振幅聲速,H 表示液體
中的運(yùn)動(dòng)焓。Gilmore方程考慮了液體的可壓縮性,
第5期 張 軍等:水下強(qiáng)聲波脈沖引發(fā)的空化氣泡運(yùn)動(dòng)和聲輻射 3
適合對(duì)大振幅條件下的氣泡運(yùn)動(dòng)進(jìn)行求解。
為了求解方程(1),需要給出 H 和C 的具體形
式。在壓力小于10GPa的條件下,水的狀態(tài)方程可
以采用 Tait狀態(tài)方程
P=A ρ
ρ
æ
è
ç
ö
ø
÷
0
n
-B (2)
其中,P 為氣泡壁周?chē)后w中的壓力,P=p/p0 為歸
一化壓力,p0 為環(huán)境壓力,取為1atm,ρ0 為水的平衡
態(tài)密度。B 和n 為常數(shù)。對(duì)于常態(tài)條件下的水[15],
可以取B=3000atm,A=P0+B,n=7。通過(guò)(2)式,
可以得到運(yùn)動(dòng)焓 H 和聲速C 的具體表達(dá)式
H =
A
1
n
ρ0
n
n-1{[Pw +B]
n-1
n - [P¥ +B]
n-1
n }
(3)
H
·
=
A
1
n
ρ0
[Pw +B]
-1
nP
·
w - [P¥ +B]
-1
nP
·
{ ac}
(4)
C= C2
0 + (n-1) H (5)
其中,Pw 表示氣泡壁周?chē)后w中的壓力。根據(jù)壓力平
衡條件,Pw 與泡內(nèi)氣體壓力Pg 之間具有如下關(guān)系
Pw =Pg +Pv -
2σ
R
-4η
R
·
R
(6)
其中,Pv 表示飽和蒸汽壓力,σ和η 分別為液體的表
面張力系數(shù)和切變粘滯系數(shù)。
不考慮泡內(nèi)外氣體的擴(kuò)散及溫度變化,忽略 Pg
在空間分布上的非均勻性[6],泡內(nèi)氣壓隨時(shí)間的變化
通過(guò)理想氣體的多方指數(shù)關(guān)系給出
Pg = P0 +
2σ
R
æ
è
ç
ö
ø
÷
0
æR0
è
ç
ö
ø
÷
R
3γ
(7)
式中,R0 為初始?xì)馀莅霃?γ為泡內(nèi)氣體的多方指數(shù)。
2.2 氣泡的聲輻射
氣泡在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的每一次坍縮時(shí)刻將向液體
中輻射聲波,忽略液體中的粘滯性,對(duì)流體力學(xué)的運(yùn)
動(dòng)方程進(jìn)行空間積分并定義速度勢(shì)函數(shù)ÑrΨ=-u,
可以得到:
∂Ψ
∂t
+
1
2
(ÑrΨ )
2 +H(r)=0 (8)
(8)式即為流體力學(xué)中的 Bernoulli方程。假設(shè)氣泡
輻射的聲波在遠(yuǎn)場(chǎng)為線性球面波,對(duì)運(yùn)動(dòng)焓 H 取一
階近似,經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)拇鷶?shù)運(yùn)算,可以得到:
Ps(r,t)=
R0
r
1
2ρR
·2 +P(R)-P¥(t
æ
è
ç
ö
ø
)÷ (9)
其中,Ps(r,t)為輻射聲波的壓力,r為觀察點(diǎn)與氣泡
中心的距離。
3 數(shù)值計(jì)算和分析
在 數(shù) 值 計(jì) 算 時(shí),取 水 的 環(huán) 境 壓 力 P0 =1.01×
105Pa,密度ρ0=103kg/m3,初始聲速c0=1500m/s,
水的表面張力系數(shù)σ=0.072N/m,切變粘滯系數(shù)η=
0.001Pa/m。由于強(qiáng)聲波脈沖作用時(shí)間較短,認(rèn)為泡
內(nèi)空氣始終處于絕熱狀態(tài),取多方指數(shù)γ=1.4,泡內(nèi)
的飽和蒸汽壓力Pv=2.33×103Pa(溫度為20℃時(shí)的
值)。在強(qiáng)聲波脈沖到達(dá)之前,氣泡處于靜止?fàn)顟B(tài),取
氣泡的初始平衡態(tài)半徑R0=100μm(預(yù)估校正值)。
3.1 強(qiáng)聲波脈沖引發(fā)的空化氣泡運(yùn)動(dòng)
在實(shí)驗(yàn)設(shè)置和放電參數(shù)下,在反射罩焦點(diǎn)處測(cè)得
的強(qiáng)聲波脈沖壓力峰值為 PA =8MPa。以實(shí)驗(yàn)脈沖
波形作為輸入進(jìn)行計(jì)算可以得到空化氣泡的運(yùn)動(dòng)半
徑時(shí)間歷程圖。
如圖4所示,強(qiáng)聲波脈沖的正壓相到來(lái)時(shí),氣泡
將首先受到壓縮并在“準(zhǔn)平衡態(tài)”半徑(R0,q≈40μm)
附近振蕩,振蕩區(qū)的持續(xù)時(shí)間與正壓區(qū)的持續(xù)時(shí)間相
同。氣泡在正壓區(qū)的振蕩是由氣泡內(nèi)外的壓力不平
衡引起的,這與氣泡坍縮后的慣性回彈物理本質(zhì)不
同。而當(dāng)強(qiáng)聲波脈沖的負(fù)壓相到來(lái)時(shí),氣泡將經(jīng)歷膨
脹、坍縮、回彈等典型的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。由此可見(jiàn),負(fù)壓對(duì)
氣泡的成長(zhǎng)具有決定性的作用。
圖4 強(qiáng)聲波脈沖作用下氣泡半徑的時(shí)間歷程圖(計(jì)算值)
Fig.4 Thetimehistoryofabubbleinducedbyintensiveacousticpulse
按圖中箭頭所指的方向,氣泡后繼回彈的幅值是
漸弱的。這是因?yàn)樵跉馀葸\(yùn)動(dòng)過(guò)程中存在各種能量
損失機(jī)理,在動(dòng)能與勢(shì)能的轉(zhuǎn)化過(guò)程中,氣泡剩余的
能量減少了。
我們選取了氣泡群中相對(duì)獨(dú)立的一個(gè)氣泡,并將
其在第一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期半徑的測(cè)量值與計(jì)算值進(jìn)行了
比較,結(jié)果如圖5所示。
從圖上可以看出,氣泡半徑的測(cè)量結(jié)果與計(jì)算結(jié)
果符合得較好。兩者之間的差別主要是因?yàn)槔碚撃?br />
4 實(shí) 驗(yàn) 流 體 力 學(xué) (2013)第27卷
型沒(méi)有考慮氣泡之間的相互作用及氣泡非球形坍縮
時(shí)的射流釋放(見(jiàn)圖2)。
(a)
(b)
圖5 第一個(gè)坍縮周期內(nèi)的氣泡運(yùn)動(dòng)半徑(測(cè)量值)
Fig.5 Themeasuredbubbleradiusinthe1stcollapsingcycle
3.2 空化氣泡坍縮時(shí)的聲輻射
空化氣泡在坍縮時(shí)向周?chē)后w中輻射聲波是液
體可壓縮性的體現(xiàn)。在上例的參數(shù)下,距離氣泡中心
r=0.01m 處,我們計(jì)算了氣泡坍縮時(shí)的聲輻射壓力
值,結(jié)果如圖6所示。
圖6 空化氣泡坍縮時(shí)釋放的聲脈沖(計(jì)算值)
Fig.6 Secondaryacousticpulseradiatedbya
collapsingbubble(calculation)
圖6顯示的是以實(shí)驗(yàn)測(cè)量的強(qiáng)聲波脈沖波形作
為輸入?yún)?shù)的計(jì)算結(jié)果。圖中的藍(lán)色虛線表示氣泡
運(yùn)動(dòng)半徑的計(jì)算值。可以發(fā)現(xiàn),在氣泡的每一次坍縮
時(shí)刻都將向液體中輻射聲脈沖,第一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期結(jié)束
時(shí)輻射的聲脈沖最強(qiáng)。氣泡在首次坍縮之后很快又
開(kāi)始了后繼的膨脹過(guò)程,在坍縮期間氣泡輻射脈沖的
持續(xù)時(shí)間都很短(約為 ns量級(jí)),聲脈沖具有沖擊波
的特點(diǎn)。氣泡坍縮時(shí)輻射的“沖擊波”及伴隨釋放的
高速射流(源于非球形運(yùn)動(dòng))具有相當(dāng)?shù)钠茐牧?可以
腐蝕艦艇的螺旋槳、粉碎人體結(jié)石等。
強(qiáng)聲波脈沖的負(fù)壓區(qū)為氣泡的運(yùn)動(dòng)提供了能量,
在每次慣性坍縮時(shí)刻氣泡又向液體中輻射聲波能量。
同時(shí),氣泡運(yùn)動(dòng)過(guò)程中存在熱損耗、氣泡分裂等能量
損失,所以氣泡后繼輻射的聲脈沖壓力幅值是漸弱
的,這符合能量守恒原理。在數(shù)個(gè)回彈周期后,氣泡
將達(dá)到平衡狀態(tài)并停止運(yùn)動(dòng),直到繼發(fā)強(qiáng)聲波脈沖到
來(lái)時(shí)氣泡的運(yùn)動(dòng)被重新引發(fā)(假設(shè)在強(qiáng)聲波脈沖的重
復(fù)發(fā)射周期內(nèi)氣泡沒(méi)有溶解)。
如圖7所示,傳感器記錄到的氣泡輻射的壓力脈
沖信號(hào)由一個(gè)脈沖串組成而非單個(gè)脈沖。這是因?yàn)?
在壓力傳感器周?chē)礆馀輸?shù)密度可能存在不同數(shù)量
的氣泡。這些氣泡由于成核半徑不同,即使在相同的
強(qiáng)聲波脈沖作用下,所能達(dá)到的最大膨脹半徑、坍縮
時(shí)刻及 坍 縮 時(shí) 釋 放 的 脈 沖 壓 力 幅 值 也 不 同,所 以
PCB傳感器在允許的分辨率下將記錄到一部分氣泡
釋放的壓力信號(hào)。從壓力信號(hào)的幅值來(lái)看,測(cè)量值約
為理論值的一半(0.7MPa)。兩者的差別主要在于理
論模型沒(méi)有考慮氣泡的非球形運(yùn)動(dòng)(射流釋放)、平
動(dòng)、及氣泡間的相互作用,同時(shí)負(fù)壓的實(shí)際值與測(cè)量
值之間也可能存在誤差。
圖7 空化氣泡坍縮時(shí)釋放的聲脈沖(測(cè)量值,注:后半段)
4 結(jié) 論
首先建立了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),利用 PCB 壓力傳感器和
高速攝影的方法在實(shí)驗(yàn)水箱中對(duì)等離子體聲源聲能
聚焦區(qū)域的空化氣泡運(yùn)動(dòng)及其二次聲輻射進(jìn)行了實(shí)
第5期 張 軍等:水下強(qiáng)聲波脈沖引發(fā)的空化氣泡運(yùn)動(dòng)和聲輻射 5
驗(yàn)測(cè)量,觀察到了強(qiáng)聲波脈沖特有的波形結(jié)構(gòu)(包括
中心波、尾波和邊緣波)以及空化氣泡運(yùn)動(dòng)的成長(zhǎng)、膨
脹和坍縮的物理過(guò)程。
其次,通過(guò)大振幅條件下氣泡運(yùn)動(dòng)的 Gilmore方
程以及氣泡坍縮時(shí)聲輻射的 Bernoulli方程,編制數(shù)
值計(jì)算程序和圖像處理程序,對(duì)強(qiáng)聲波脈沖引發(fā)的空
化氣泡運(yùn)動(dòng)和氣泡坍縮時(shí)的聲脈沖輻射進(jìn)行了數(shù)值
計(jì)算和分析,理論計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。研究
結(jié)果表明:(1)在強(qiáng)聲波脈沖正壓區(qū)的作用下,空化
氣泡將受到壓縮并圍繞“準(zhǔn)平衡態(tài)半徑”振蕩;在強(qiáng)聲
波脈沖負(fù)壓區(qū)的作用下,空化氣泡將出現(xiàn)膨脹、坍縮
和回彈的物理過(guò)程。(2)空化氣泡坍縮時(shí)周期性輻
射的聲脈沖持續(xù)時(shí)間極短,具有“沖擊波”的特點(diǎn),輻
射脈沖的壓力幅值隨運(yùn)動(dòng)周期的增加逐漸減弱。研
究對(duì)認(rèn)識(shí)水下強(qiáng)聲波傳播過(guò)程中產(chǎn)生的空化效應(yīng) |
