聲空化泡動(dòng)力學(xué)及其測量

中國科學(xué)G輯物理學(xué)力學(xué)天文學(xué)2006,36(2):113-123113聲空化泡動(dòng)力學(xué)及其測量陳偉中”黃威劉亞楠高賢嫻(南京大學(xué)近代聲學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室和聲學(xué)研究所,南京210093)摘要在評述當前聲空化研究領(lǐng)域的最新進(jìn)展基礎上,報道在聲空化泡動(dòng)力學(xué)理論和實(shí)驗方面的研究結果.首先,考慮了實(shí)際非球對稱(chēng)聲場(chǎng)驅動(dòng)下的空化泡運動(dòng),提岀了一個(gè)非球形氣泡動(dòng)力學(xué)模型,數值計算給出一種新的穩定的非球形振蕩解.然后,設計了雙路Mie散射系統,對空化泡運動(dòng)的球對稱(chēng)性進(jìn)行了實(shí)驗檢測,發(fā)現在低聲壓驅動(dòng)的大氣泡中存在明顯的不同方向的非同步振蕩作為個(gè)推論,得到了空化泡非球形振蕩的證據.并且完成了非球形振蕩和驅動(dòng)參數液體參數的相關(guān)性測量,具體參數包括驅動(dòng)超聲的幅度、頻率,液體的表面張力系數、黏度、含氣量等.最后,介紹了數字移相頻閃照明拍攝技術(shù),實(shí)現對穩態(tài)聲空化泡的直接拍攝測量,時(shí)間分辨率提升到20ns,相比已有的200ns的時(shí)間分辨率,提高了一個(gè)量級關(guān)鍵詞聲空化氣泡動(dòng)力學(xué)聲致發(fā)光超聲波進(jìn)入液體,導致內部壓力起伏,有些超過(guò)靜態(tài)壓力,也有些低于靜態(tài)壓力,其中低于靜態(tài)壓力的,稱(chēng)為負壓.在液體的負壓區域,結構中的缺陷(空化核)會(huì )逐漸成長(cháng),形成肉眼可見(jiàn)的微氣泡,這就是聲空化.對理想的無(wú)缺陷液體理論上超聲也能破壞它的分子鍵鏈,形成空化,但是所需聲壓在1013250×1053Pa量級.所以常見(jiàn)的聲空化強度不僅與驅動(dòng)聲壓強度有關(guān),還與液體中存有的空化核數量有關(guān).由于表面張力的作用,微氣泡的形狀幾乎是球形的.我們知道外界對氣泡做的功和它的體積變化有線(xiàn)性關(guān)系,而和氣泡半徑不具有線(xiàn)性關(guān)系所以,描述氣泡運動(dòng)的 Rayleigh氣泡動(dòng)力學(xué)方程是一個(gè)關(guān)于氣泡半徑的非線(xiàn)性方程2.聲空化微氣泡的運動(dòng)具有明顯的非線(xiàn)性特征,具體表現為緩慢的膨脹和急劇的壓縮.在1.01325×105Pa量級的超泡的最大與最小半徑之比可中國煤化工收稿日期:2005-08-26;接受日期:200602-15CNMHG國家自然科學(xué)重點(diǎn)基金資助項目(批準號:104*w E-mail: wzchen@ nju.edu.SCIENCE IN CHINA Ser. G Physics, Mechanics Astronomyl14中國科學(xué)G輯物理學(xué)力學(xué)天文學(xué)第36卷以達到1032的量級,體積壓縮比就是10量級,因此聲空化泡具有很高的聚能能力在壓縮至最小半徑前后,空化泡內部有罕見(jiàn)的高溫高壓.通常人們認為內部的最高溫度和壓力在數千K和數千個(gè)1.01325×105Pa量級,這個(gè)高溫高壓使得超聲清洗、超聲粉碎等一系列應用成為可能,也是聲化學(xué)的工作基礎.當繼續增大超聲幅度,空化泡內部的溫度壓力繼續上升,會(huì )導致光的輻射,這就是20世紀30年代發(fā)現的聲致發(fā)光現象.人們實(shí)驗測量了聲致發(fā)光光譜,發(fā)現這是一個(gè)帶有原子特征譜線(xiàn)的連續譜.由于當時(shí)的聲致發(fā)光是大量隨機產(chǎn)生的空化泡的破裂發(fā)光,發(fā)光泡的動(dòng)力學(xué)特征很難測量,所以,關(guān)于聲致發(fā)光的研究沒(méi)有取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展.1992年, Gaitan等人結合聲懸浮在充分去氣的水中,實(shí)現了空間上定位、時(shí)間上周期的單一氣泡聲致發(fā)光,常稱(chēng)為單泡聲致發(fā)光的,而過(guò)去的聲致發(fā)光稱(chēng)為多泡聲致發(fā)光.與多泡聲致發(fā)光的本質(zhì)區別在于,單泡聲致發(fā)光是一種穩態(tài)的發(fā)光,不是氣泡破裂發(fā)光.空間定位的穩態(tài)振蕩發(fā)光為實(shí)驗測量提供了必要的條件.人們得到了發(fā)光氣泡的半徑演化曲線(xiàn),發(fā)現發(fā)光前氣泡的能量密度提升了12個(gè)量級;發(fā)光寬度在幾十到幾百皮秒之間68;光譜只有連續譜,可以用黑體輻射曲線(xiàn)很好擬合,譜溫度在幾萬(wàn)K;發(fā)光相位在10量級上和聲場(chǎng)保持同步,但并不是嚴格周期的,具有倍周期分岔、混沌山等非線(xiàn)性特征.長(cháng)期以來(lái),由于在單泡聲致發(fā)光光譜中沒(méi)有觀(guān)察到原子線(xiàn)狀光譜,人們認為多泡和單泡聲致發(fā)光在機理上是不同的.最近,人們在濃硫酸的Ar氣體聲致發(fā)光中,觀(guān)察到了Ar原子特征譜線(xiàn)213,但這種聲致發(fā)光不是穩定的聲懸浮氣泡中觀(guān)察到的;同樣,在2001年人們在極暗的聲致發(fā)光中也曾觀(guān)察到原子線(xiàn)譜4,但在通常意義下的穩態(tài)單泡聲致發(fā)光光譜中至今仍未發(fā)現原子譜線(xiàn).盡管如此,已經(jīng)有更多的人相信,單泡和多泡聲致發(fā)光在機理上是有聯(lián)系的,很可能是相同的.近幾年,關(guān)于聲空化和聲致發(fā)光領(lǐng)域最熱的話(huà)題可能是聲致聚變51.首先,Moss等人在數值計算中,提出了進(jìn)一步提升空化泡內部高溫高壓實(shí)現輕核聚變的思想吲.在2002年美國 Oak Ridge國家實(shí)驗室的 Taleyarkhan等人在發(fā)表了他們在氘代丙酮的強聲空化實(shí)驗中觀(guān)察到了25MeV中子等氘氘聚變的產(chǎn)物粒子.之后,能否實(shí)現聲致聚變成了物理學(xué)界的一個(gè)激烈爭論的課題.不久,同一實(shí)驗室的另研究組重復了 Taleyarkhan等人的實(shí)驗,卻得出了相反的結果1.但是Taleyarkhan等人并沒(méi)有停止研究,在2004年再次報道了他們更加可靠的聲致聚變實(shí)驗結果8.最近,人們又在濃硫酸的聲致發(fā)光實(shí)驗中觀(guān)察到極端高溫高壓的另個(gè)證據——等離子體11非球對稱(chēng)聲場(chǎng)驅動(dòng)下的空化中國煤化工空化泡通常處于非球對稱(chēng)的聲場(chǎng)中CNMHG球對稱(chēng)的表面張力作用明顯,因此人們多認為,氣泡在運動(dòng)中始終保持球形.但單泡聲致發(fā)光SCIENCE IN CHINA Ser. G Physics, Mechanics Astronomy第2期陳偉中等:聲空化泡動(dòng)力學(xué)及其測量115的光子關(guān)聯(lián)測量表明,氣泡發(fā)光時(shí)并不是球形的,而是一個(gè)離心率大約0.2的橢球90.實(shí)際上,空化泡是很容易破裂的,破裂可以理解為非球形的結果.理論上,人們在 Rayleigh球形氣泡動(dòng)力學(xué)的基礎上,引入初始非球對稱(chēng)形狀擾動(dòng)項然后研究非球形項的發(fā)展.輸出的結果有兩種:(i)非球對稱(chēng)項衰減,氣泡恢復到穩定的球形振蕩;(ⅱi)非球對稱(chēng)項成長(cháng),導致氣泡破裂l1.而文獻19,20所期待的非球形穩定振蕩是不存在的.這樣的結果是可以理解的,通常人們將外界驅動(dòng)取為時(shí)間上簡(jiǎn)諧空間上球對稱(chēng)S,即使將時(shí)間變?yōu)槎囝l的2空間上依然是球對稱(chēng)的.可見(jiàn),除了初始值(形狀)具有非球對稱(chēng)特征以外,外界驅動(dòng)、邊界約束、媒質(zhì)特性都具有各向同性,輸岀的穩定振蕩解應該具有球對稱(chēng)性.然而,當我們考慮了實(shí)際驅動(dòng)聲場(chǎng)并非嚴格球對稱(chēng),而是由球對稱(chēng)部分P3m(,D)=4()(cos6)j0(k)=4(D)1+O(2(1)和具有偶極子結構的非球對稱(chēng)部分Pasm(r,0,1)=A2()P(cos)2(k)=A2()B(ose)(k)2+0(4)疊加而成時(shí),直接從流體力學(xué)基本方程出發(fā),約化得到非球形氣泡動(dòng)力學(xué)方程(1)和(2)式中r和分別是球坐標的矢徑長(cháng)度和它與對稱(chēng)軸的夾角,P(cos日)為第n階 Legendre函數,i(kr)為第n階球 Bessel函數,而O(n)代表kr的n階量,k為常數,A1(D)= A sin ot,其中A為驅動(dòng)幅度,是驅動(dòng)超聲的圓頻率.這是個(gè)決定氣泡表面函數S(,(1)+a2()P2(cos6)中系數a0()和a2(t)的時(shí)間演化方程組.氣泡的表面由F(r,6,D)≡r-S(6,t)=0定義.對這組演化方程的數值求解,不僅可以得到氣泡恢復球形和破裂的解,還可以得到穩定的周期的非球形振蕩解23.圖1給出了球對稱(chēng)聲場(chǎng)和非球對稱(chēng)聲場(chǎng)驅動(dòng)下,非球形氣泡的發(fā)展,從圖中可以看出,在球對稱(chēng)聲場(chǎng)驅動(dòng)下,初始的非球形運動(dòng)逐漸減少,氣泡將恢復球形;而在非球形驅動(dòng)下,非球形運動(dòng)得到保持,氣泡做穩定的周期的非球形振蕩.顯然,這種非球形振蕩能夠穩定存在的原因是聲場(chǎng)的非球對稱(chēng).當然,對足夠大的非球形擾動(dòng),氣泡不管在球對稱(chēng)還是非球對稱(chēng)聲場(chǎng)驅動(dòng)下,都會(huì )破裂2雙Mie散射測量氣泡的非球形振蕩常用于聲空化的超聲頻率在20kHV凵中國煤化工0Pa量級,形成的空化泡平衡半徑在微米量級因此CNMHG液界面,對它進(jìn)行大小形狀的測量并不容易.人們首先想到的測量方法是利用高速相機實(shí)時(shí)www.scichina.coml16中國科學(xué)G輯物理學(xué)力學(xué)天文學(xué)第36卷mmms守6圖1在球對稱(chēng)和非球對稱(chēng)聲場(chǎng)驅動(dòng)下的氣泡振蕩(a)球對稱(chēng)驅動(dòng)下(Ao=1,A2=0)衰減,氣泡恢復球形;(b)非球對稱(chēng)驅動(dòng)(Ao=A2=1)下,做穩定非球形振蕩信號發(fā)生器示波器功率放大器計算機圖2雙Mie散射實(shí)驗裝置示意圖記錄二維圖像.這種方法不僅可以測量氣泡大小(如半徑),還可以得到氣泡的實(shí)際形狀.然而,由于氣泡很小,我們不得不在氣泡和相機之間加上一個(gè)顯微鏡盡管目前長(cháng)距離顯微鏡已經(jīng)可以將水中的空化泡進(jìn)行有效的放大,但是放大后相機的進(jìn)光量就顯著(zhù)減少.此外,由于空化泡的高速振蕩,要求相機的曝光時(shí)間越短越好,起碼要<1μs,這直接要求相機具有極高的靈敏度.目前,國外有使用10MHz的高速攝像機來(lái)記錄空化泡的運動(dòng)的,這種相機代表著(zhù)當前最高技術(shù)水平.然而,對空化泡來(lái)說(shuō),100ns的拍攝間隔并不算高,聲致發(fā)光的脈沖寬度是<1ns的.而最常用的空化泡測量方法是激光Mie散射方法.所謂Mie散射,指的是:當光東通過(guò)不均勻介質(zhì)時(shí),波矢量中國煤化工沖現象,而且要求散射粒子的線(xiàn)度大于或者接近散射光CNMHG0°)散射光的強度和散射粒子的大小成正比.對球形氣泡,散射光強和氣泡半徑成平方關(guān)系.顯SCIENCE IN CHINA Ser. G Physics, Mechanics Astronomy第2期陳偉中等:聲空化泡動(dòng)力學(xué)及其測量117然,Mie散射方法只能得到與空化泡大小成比例的一維光強數據,它不能得出空化泡形狀的信息,也不能得到空化泡的絕對大小.但是,Mie散射具有極好的時(shí)間響應.相比于直接拍攝方法,Mie散射設備簡(jiǎn)單、容易實(shí)現.之外,目前還有些基于聲懸浮空化泡的周期振蕩特性的非實(shí)時(shí)的積分拍攝242和非實(shí)時(shí)Me散實(shí)際上,對于聲空化泡的微小偏離球形的直接測量是很困難的.懸浮在液體(通常是水)中的空氣泡經(jīng)過(guò)長(cháng)距離顯微鏡放大之后,拍攝到的圖像是輪廓模糊的想通過(guò)直接測量圖像來(lái)判斷空化泡是否偏離了球對稱(chēng)是靠不住的.而普通Mie散射不能提供二維數據,更不能用來(lái)判別氣泡是否球形.我們最近設計了一個(gè)雙Mie散射實(shí)驗,可以用來(lái)檢測高速振蕩氣泡是否球形.與普通Mie散射系統相比,雙路Mie散射系統增加了一路光接收裝置·個(gè)透鏡和一個(gè)光電倍增管.考慮了Mie散射的性質(zhì)和換能器的遮擋限制,實(shí)驗中兩個(gè)光電倍增管PMTl和PMT2分別取了50°和80°的散射角,如圖4所示.在每個(gè)光電倍增管的前面,我們放置了一個(gè)焦距為50mm的凸透鏡,一方面是為了獲得足夠強度的散射光,另一方面它增大光電倍增管的接收張角達到16°.我們知道,Mie散射的散射光強和散射體大小之間的關(guān)系非常復雜,有時(shí)候甚至是非單值的,即,不同的散射體大小具有相同的散射光強度,這種現象稱(chēng)為 Lobe clusters(LC)現象2.LC現象依賴(lài)于散射角,在80°左右光強和大小之間有幾乎單調的關(guān)系,只有很輕微的LC現象,這正是通常Mie散射采用80°散射角的原因.而在50°附近存在明顯的LC現象.所幸的是增大接收張角,通過(guò)平均光強的方法可以有效地抵消LC現象.我們數值計算表明,在50°散射角,用1°張角時(shí)存在明顯的LC現象;而5°張角時(shí),明顯改善;在我們實(shí)際張角16°時(shí),已經(jīng)具有很好的單調性.而在散射角80°時(shí),只要1°張角就呈現40B中國煤化工圖3雙MieCNMHG兩路信號最大峰之間存在明顯的相位(時(shí)間)差,其中實(shí)線(xiàn)來(lái)自PMT1,虛線(xiàn)來(lái)自PMT2www.scichina.coml18中國科學(xué)G輯物理學(xué)力學(xué)天文學(xué)第36卷很好的單調性.整個(gè)實(shí)驗檢測系統被固定在地面,而聲致發(fā)光諧振器被安置在個(gè)轉動(dòng)平臺上,因此換能器對稱(chēng)軸和入射激光束之間的夾角a是可以調節的.在檢測之前,我們先用聲致發(fā)光的光脈沖來(lái)檢測兩路信號的同步性,未發(fā)現兩路信號的自身相位差.然后,我們對不同聲壓下的空化泡進(jìn)行實(shí)驗測量.在低聲壓下我們觀(guān)察到明顯的信號相位差,見(jiàn)圖3.然而在高聲壓下,這個(gè)相位差逐漸減少在聲致發(fā)光時(shí),未能觀(guān)察到有明顯的相差,圖4給出了聲致發(fā)光氣泡的測量結果-18時(shí)間ts圖4聲致發(fā)光氣泡的雙Mie散射測量結果兩路信號之間幾乎沒(méi)有相位差,上圖來(lái)自PMT1,下圖來(lái)自PMT532nm激光聲光調制器長(cháng)距離顯鏡CCDInL脈沖發(fā)生器包發(fā)信號計算機GPIB5數字移相頻閃拍攝實(shí)驗示意圖我們還測量了這個(gè)相位差和驅動(dòng)頻率的關(guān)系,和液體表面張力系數、黏度含氣量等的相關(guān)性.結果表明,它和頻率沒(méi)有明顯的關(guān)系、和表面張力系數有負關(guān)系、與黏度有正關(guān)系.其中和表面張力的關(guān)系是很容易理解的,氣泡之所以是球形的,就是由于表面張力的作用,它中國煤化工爾的因素.增大表面張力系數σ,氣泡球對稱(chēng)性增強,氣CNMHG釗弱,兩路信號的相差減少.而和黏度、含氣量、驅動(dòng)聲壓的關(guān)系,最終歸結到和氣泡平衡半徑SCIENCE IN CHINA Ser. G Physics, Mechanics Astronomy第2期陳偉中等:聲空化泡動(dòng)力學(xué)及其測量119的關(guān)系.比如,在同等驅動(dòng)聲壓下增加液體的黏度,等效于減少驅動(dòng)聲壓,導致氣泡平衡半徑增大28,由于表面張力除了和系數G有關(guān),還與氣泡半徑R反比因此增大液體黏度導致非同步性的提高.雙Mie散射系統通過(guò)測量不同方向上的截面振蕩情況,得到同步性信息,作為推論,得到氣泡的非球形振蕩信息.可見(jiàn),這也是一種間接的方法,但相比利用聲致發(fā)光光子關(guān)聯(lián)920來(lái)推算氣泡形狀更為可靠.到目前為止,通過(guò)直接拍攝的方法還不能取得有效的氣泡非球形振蕩的信息.但是基于直接拍攝的氣泡動(dòng)力學(xué)測量已經(jīng)取得了許多有意義的進(jìn)展,尤其是對穩態(tài)聲懸浮空化泡的頻閃拍攝方面,已經(jīng)能夠很精確地測量出氣泡在不同時(shí)刻的絕對大小3穩態(tài)空化泡的頻閃拍攝雖然自實(shí)現單泡聲致發(fā)光以來(lái)5,空化泡的位置是固定的.但是,由于它的微米尺度和髙速振蕩,想對它進(jìn)行實(shí)時(shí)的精確測量并不容易.首先我們需要解決長(cháng)距離顯微放大的問(wèn)題,通常的顯微鏡是不能勝任對超聲懸浮空化泡的顯微放大的,因為通常顯微鏡的工作距離(顯微鏡的物距)只有毫米量級,而空化泡是位于諧振器的中心,距離諧振器壁有幾個(gè)厘米的距離.所以,必須采用特殊的長(cháng)距離顯微镋進(jìn)行放大.當然,由于顯微鏡的放大導致了顯微鏡輸出的光強度的減弱在另一方面,由于空化泡的高速振蕩,實(shí)時(shí)拍攝需要很快的拍攝速度,這樣就減少了相機的進(jìn)光量.因此,實(shí)時(shí)拍攝仍然存在許多難以克服的困難,所得到的實(shí)驗數據的光滑程度甚至不如Mie散射的結果.但是人們注意到聲懸浮氣泡的良好特性,發(fā)展了一些基于空化泡周期運動(dòng)的頻閃拍攝方法.在1996年耶魯大學(xué)的田和 Apfel首先采用差頻照明拍攝方法,對空化泡進(jìn)行了非實(shí)時(shí)拍攝,得到了空化泡的半徑演化曲線(xiàn)24,其數據的光滑程度出乎人們的想象,以至于遠遠地好于他們后繼的工作,更讓人難以理解.差頻法的主要思想是,用一束特殊的脈沖光照明下對空化泡進(jìn)行積分拍攝.他們采用了脈沖寬度為D、頻率為fgh的電信號驅動(dòng)發(fā)光二極管(LED)形成照明光脈沖.如果光脈沖的頻率ft和驅動(dòng)超聲頻率f嚴格相等,即Δ≡∫-fih=0,那么,氣泡的某一個(gè)相位被持續照明.這時(shí)候我們就可以用普通照相機對空化泡進(jìn)行固定相位的多次重復曝光拍攝,此時(shí)的測量精度就是光脈沖的寬度D.顯然,這種方法是利用空化泡的周期性來(lái)彌補實(shí)時(shí)拍攝進(jìn)光量不足的問(wèn)題.為了能夠記錄空化泡隨時(shí)間的變化規律,他們將△f取成01H,每經(jīng)過(guò)一個(gè)聲周期光脈沖相位移動(dòng)一個(gè)△=27,光脈沖在經(jīng)中國煤化工周期,或者血1THCNMHG明相位.所以,www.scichina.com120中國科學(xué)G輯物理學(xué)力學(xué)天文學(xué)第36卷對Δf=0.1Hz情況,重復時(shí)間是10s,對曝光時(shí)間為1/30s的錄像機來(lái)說(shuō),可以得到300幀圖像,重構一個(gè)完整的氣泡演化過(guò)程.每幀圖像是∫/30次“慢移動(dòng)”氣泡的重復曝光結果.可見(jiàn)差頻拍攝的時(shí)間分辨率是照明光脈沖寬度D加上這個(gè)光脈沖“慢移動(dòng)”時(shí)間,文獻[24,25]中脈沖寬度為D=100ns,實(shí)際時(shí)間分辨率是200ns.當然,我們可以通過(guò)降低Δ′的方法減少“慢移動(dòng)”時(shí)間來(lái)提高分辨率,但相應的代價(jià)是提高拍攝的時(shí)間.原則上,差頻法是一個(gè)等時(shí)間間隔的頻閃拍攝方法,用來(lái)測量非線(xiàn)性運動(dòng)的空化泡并不合適我們采用了新的數字移相技術(shù),實(shí)現空化泡的可變時(shí)間間隔的頻閃拍攝,在同樣脈沖寬度下將時(shí)間分辨率提高了一倍.我們的測量的時(shí)間分辨率就是脈沖寬度,沒(méi)有附加的脈沖“慢移動(dòng)”時(shí)間.圖5給出了我們的實(shí)驗裝置圖.和差頻法的主要不同是我們的脈沖相位移動(dòng)是通過(guò)編程控制脈沖信號發(fā)生和控制器(DG535)來(lái)實(shí)現.圖6給出了DG535的觸發(fā)信號和輸出脈沖.輸入信號A和B的上升沿時(shí)間差決定脈沖的寬度,即T=7A-T.在保持T不變的前提下,同時(shí)增大⌒λ和T就實(shí)現了脈沖的相位移動(dòng).可見(jiàn),這里不再存在差頻法中的脈沖慢運動(dòng),也就是說(shuō),差頻法的脈沖相位是連續的勻速移動(dòng),而這里的脈沖是步進(jìn)的,下一個(gè)脈沖相位是程序指定的,和前一個(gè)脈沖相位沒(méi)有關(guān)系.這樣我們就可以實(shí)現變時(shí)間步長(cháng)的拍攝,這對非線(xiàn)性運動(dòng)的空化泡的拍攝是非常重要的,我們可以在迅速變化時(shí)域增加拍攝點(diǎn),而在緩慢變化時(shí)域減少拍攝點(diǎn).甚至,我們可以根據不同的氣泡運動(dòng)特征設定不同的脈沖寬度,以觀(guān)察高速變化過(guò)程.在照明光源方面,我們也做了有意義的改進(jìn).相比LED,我們采用的激光加聲光調制器形成的光脈沖,不但具有高的強度,更短的波長(cháng),而且可以做得比LED更高的時(shí)間分辨率.這里的脈沖寬度由聲光調制器的頻率決定,我們所用的AM350的最高頻率是350MH,實(shí)驗測定它調制得到的光脈沖比 Hamamatsu R212的反應時(shí)間還要窄.實(shí)驗上,我們最高采用了20ns的脈沖寬度進(jìn)行拍攝.由于我們采用固定的曝光時(shí)間(1/30s)的攝像機作為最終數據記錄,進(jìn)一步地減少脈沖寬度,而不增強TRIGfot中國煤化工ABCNMHG圖6DG535脈沖發(fā)生器時(shí)序圖SCIENCE IN CHINA Ser. G Physics, Mechanics Astronomy第2期陳偉中等:聲空化泡動(dòng)力學(xué)及其測量121時(shí)間ts圖7數字移相頻閃拍攝數據曲線(xiàn)時(shí)間分辨率是100ns.內圖為典型的氣泡照片,照片的中心亮點(diǎn)是聲致發(fā)光激光強度,就會(huì )導致CCD曝光不足.而進(jìn)一步增強激光強度,激光和氣泡相互作用導致氣泡破裂.因此,我們的系統目前最高能夠得到20ns分辨的空化泡演化數據,相比文獻[24,25]的200ns提高了10倍.圖7給出了一個(gè)數字移相頻閃照明下的積分成像的結果,其中內圖為典型的氣泡拍攝照片,每個(gè)實(shí)驗點(diǎn)來(lái)自一幀這樣的照片4總結與展望聲空化現象發(fā)現得很早,目前已經(jīng)在許多領(lǐng)域為人類(lèi)所利用.但由于它的微米尺度和亞納秒時(shí)間的縮塌,對目前的測量技術(shù)極具挑戰性,人們對它內部的物理過(guò)程的了解并不多.雖然人們對聲致聚變持有爭議,但是超聲清洗、超聲催化、空蝕現象、空化泡發(fā)光等都是人所共知的事實(shí).這些都源自于空化泡內部的極端高溫高壓.在我們的世界里,球形空化泡具有最好的聚能能力.從空間上講,它是一個(gè)三維的系統,由于表面張力的作用是隨著(zhù)氣泡半徑減少而上升的,因此越壓縮球對稱(chēng)性越好,這樣可以避免其他非球形因素使得氣泡失去球對稱(chēng)性,確保達到最大的體積壓縮比.從時(shí)間上看,由于空化泡的壁是氣液界面,它的質(zhì)量可以忽略不計,這就使得氣泡振蕩可以極大地體現系統的非線(xiàn)性特征.它在經(jīng)過(guò)緩慢的膨脹之后,進(jìn)行急劇的壓縮.以至于輻射光子的寬度小于納秒.這對驅動(dòng)周期為幾十微秒的聲學(xué)系統,僅在時(shí)間上就存在5-6個(gè)量級的壓縮.加上空間的壓縮比,通常聲致發(fā)光氣泡就具有11~12中國煤化工可聲致聚變采用了比聲致發(fā)光高出一個(gè)量級的超聲進(jìn)行CNMHG的提高.顯然人們最感興趣的是氣泡被急劇壓縮到最小半徑時(shí)的情況.然而,到目前為止,人www.scichina.coml22中國科學(xué)G輯物理學(xué)力學(xué)天文學(xué)第36卷們還不能測到想要的數據.原因是,按照理論推算,一個(gè)平衡半徑為幾個(gè)微米的空化泡,在大氣壓量級的超聲驅動(dòng)下,最小半徑不到0.5μm,已經(jīng)接近或者小于照明光的波長(cháng),光的波動(dòng)效應停止了人們繼續提升空間分辨率的進(jìn)程.我們采用了短波長(cháng)的綠激光就是出自該方面的考慮.實(shí)際上,我們還觀(guān)察到,照明光和氣泡的相互作用現象.我們如果用更窄的照明光脈沖,CCD就不能感光成像,必須增大激光能量,但氣泡會(huì )失去穩定性.總之,在空化泡動(dòng)力學(xué)測量方面具有很強的挑戰性,而空化泡在最小半徑附近的數據是解讀空化泡聚能現象的關(guān)鍵,是我們必須努力的課題致謝感謝《中國科學(xué)》編輯部的約稿,促成本文參考文獻Leighton T G. 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