单空泡溃灭辐射噪声的实验的研究.pdfVIP

单空泡溃灭辐射噪声的实验研究+ 戚定满鲁传敬何友声 (上海交通大学工程力学系，上海200030) 摘要本文在田内首次利用激光做空化噪声实验，对空泡在无界流场．自由面附近，固壁面附近溃 灭情况及辐射的声音做了详细的研究．本文的实验结果与经典的Lauterborn实验结果相接近．实 验结果与作者的数值结果也嘲台得非常好．利用激光空化做空泡渍灭的机理性研究非常台适．该工 作对肾结石粉碎、激光眼科手术有很大的指导意义。该实验研究的应用前景广泛，具有很大的研究 价值． 关键词：激光空化：YAG激光．瞬态示波器 中田分类号：0427．5 1引 言 对液体中空泡动力学的兴趣主要来源于空泡对固壁面的空蚀作用．为了直观地显示空泡 溃灭的过程，空化实验是一种非常直观的研究手段。从60年代末期开始利用电解泡、火花 泡来做空泡溃灭的实验。由于利用这些方法产生的空泡缺乏球对称性，仅可以用来观察空 泡溃灭的大致情形，不能进行定量研究。自从利用激光产生空泡后，空泡溃灭的试验才得 到大大的发展。激光泡的产生原理为：一束强激光脉冲作用于液体中的一点．使局部的液 体电离产生一个等离子区．该等离子迅速膨胀从而形成一球形空泡。因此激光泡比电解泡、 火花泡有着明显的优点，首先．可以调节激光控制泡的产生时间及位置．另外激光泡有良 好的球对称性，这样就保证了激光泡溃灭试验结果与数值解有可比性．GibsonI，10968)、Kling ＆Hammittt：l(1 了空泡溃灭产生射流的速度，结果与数值解相吻合．特别值得一提的是Vogeltol利用撤光 泡作过一系列试验．对空泡溃灭的细节及空化噪声进行了精确的测量。 作者利用南京理工大学理学院的YAG脉冲激光器做空泡的溃灭及空化噪声实验，该脉冲 激光器单脉冲能量可达200mJ．脉冲的宽度为15ns．超高速摄影是研究空泡溃灭的细节的最 直接和有效的方法；空化噪声的研究是研究空泡溃灭的一种间接的方法．根据田内目前现 有的实验条件，超高速摄影方法难以做到．作者从溃灭辐射声的角度对空泡的溃灭进行研 ‘田家自然科学基金资助项 -6I． 究，利用中科院声学所特制的高频响应压电陶瓷PzT水听器涮量辐射出来的空化噪声．根据 噪声的信号特征研究空泡溃灭。在本章的实验当中．测量了空泡在自由面附近及固壁面附 近的溃灭情况，得到空泡辐射噪声琏空泡离自由面及固壁面的距离的变化规律．同时改变 水听器的测量位置，得到噪声信号随铡量距离的变化规律。另外．作者还利用衰减片改变 输入激光的能量，得到不同激光能量击穿水产生的空泡辐射噪声的情况。得到的结果与经 典的Vogel实验相一致。 2实验设备及测量装置 基本的实验装置如图1，利用脉冲YAG激光束在一透明的玻璃小水容器产生一空泡， 该脉冲激光器单脉冲能量可达200mJ，脉冲的宽度为15ns，波段I．06Ⅱm，，激光处于零阶 模式工作状态．当单位体积内的光强超过临界光强．水会被电离产生一等离子区。等离子 体相当于水中的空泡，在初始条件下．婷离子体作膨胀运动．然后再溃灭，在该过程中辐 射出噪声。为了测量水中空泡溃灭所产生的噪声．利用压电陶瓷水听器测量声音信号．该 水听器的最高频率为IOMHz,．得到的信号直接输入到瞬态示波器TDS340．该瞬态示波器 测量信号的最大频率为IOOMHz，采样记录的长度为1K，信号输入计算机．在计算机里运 行相应的采样程序，将瞬态示波器的波形以数据文件形式读入。这样为以后的信号处理提 供方便．由于激光的能量不太稳定．为了提高实验结果的精度，在每次实验当中利用能量 计测量每次脉冲激光的强度，这样的实验数据具有可比性，另外将水昕器固定在一微调架 上，将盛水的小容器固定在另一微调架上，微调架的精度可远o．OImm．这样可以任意调节 水昕器和空泡中心的位置。利用水面作为自由面；利用烧杯底部一圆柱形铝锭充当固壁面· 通过调节微调架来改变自由面及固壁面的高度，以达到改变空泡中心与自由面和壁面距离 的目的。为了测量空化噪声与入射的激光晚量之间的差系．通过在光路上加不同的衰减片， 达到改变入射激光能量的目的。 噩1基车实验装置 f ·62·