现代声学理论基础1415.doc

大振幅声的三种基本效应 《现代声学理论基础》第14-15章读书报告 在声学应用中大振幅声的三种基本效应，它们是辐射压力、声流和空化。这些效应虽然都是二阶量，但是产生的效果往往是惊人的。 比如辐射压力的存在，虽然辐射压力和声压比较时，显得微不足道，但是可以在比较大的声压级的作用下，利用声压在平面上产生的力，而完成从声能到动能的转化。在1939年，伍德（R.W.Wood）就在他的书《supersonics》中演示，在一油槽底的石英片做超声振动时，可在油面上激起喷泉，如载以重物，可托起150g的法码，可见在声压高时，辐射压力的可观。声压级在174dB（p=10000Pa），辐射压力可达1000Pa，即1000kg/m2，可以把重物拖起来。 由于大振幅声的这种特性，可以把一些噪声或者是机械产生的声音，有效地利用起来，并尽可能的将其转化为机械能，达到多余声音或者噪声的回收利用。 同样，比质点速度小得多的声流（也称为声风、石英风，总是旋转性的），对破坏附面层，加速传质传热，以及清除表面污垢、杂物都是非常有效地。气体或液体媒质中有强声波传播时，往往会引起一种非周期性的运动，这种现象称为声流。声流包括体声流(bulk streaming)和微声流(microstreaming)；根据产生方式，体声流又可分为两大类：一类起源于自由空间中声波的衰减，此种声波通常与高雷诺数相关：另一类则因媒质与其接触的固体之间的摩擦引起，包括媒质中存在振动体或障碍物、声波沿波导传播、容器中存在驻波场等情况。体声流常简称为声流．微声流是指媒质中与微小空化泡相联系的局部流动。 声流可加速热交换，超声清洗是最常见的一一种，超声清洗时，声流的法向速度分量阻止了清洗下来的脏物重新附到器壁上。在器壁上所产生的高速微射流能够除去或削弱边界污层，增加搅拌作用，加速可溶性污物溶解。声流可有效驱动微型超声马达及超声泵，可用来制冷。声流现象为媒质的粘滞系数测量提供了一种简捷的方法，通过测量粘滞系数，可无损的检测封闭容器内液体的性质及罐装食品的质量。 在生物医学方面， 声流效应也有重要作用。肾结石粉碎中，声流是传递能量的重要途径。声流遇到硬界面时，高的速度梯度会产生很大的作用力。超声诊断或治疗中，尿液、胃液、血液、胆汁、羊水、水肿等体液中可能出现声流，声流产生的切应力可用于粉碎胆结石及杀死肿瘤细胞。 在液体中，高声强可产生空化气泡，而空化产生的气泡不断发展和溃灭液体中空泡溃灭时产生的空蚀、噪声、振动和发光等现象。空化噪声是一种很强的水动力噪声，在有关工程中通常应尽量避免。(sonochemistry)，主要是指利用声空化能量加速和控制化学反应，提高反应产率和引发新的化学反应的一门新的边缘交叉学科；超声清洗，由于超声的空化作用，使浸在液体中的零部件表面的污物迅速被除去；超声乳化在饮料、制药、化妆品工业及油水乳化改善燃料等方面已得到应用；超声悬浮是物体的重力在驻波声场中受辐射力的平衡而稳定悬浮在声场中或在空中移动的技术等等。其中声空化强化传热是第三代有源强化传热技术，也是声空化技术在传热领域新的应用。 在电站锅炉中，水冷壁内气液两相流的流动有时候会出现过快和过慢的问题，会引起水冷壁由于传热缓慢或者不均匀而引起水冷壁过热，造成破坏。既然，在声空化现象的应用中，可以强化传热，那么，我们可以将其原理移植至水冷壁上，利用声空化现象强化水冷壁传热，并且可以利用空化效果来清除水冷壁管内的污垢，防止堵塞，而达到保护水冷壁和提高传热效果的目的。 当然，在怎样的高声强下才能更好地强化锅炉的水冷壁传热，需要具体的实验研究。 同样在核电站中，原子核的反应堆外也是液体环境，是不是可以使用这样的声空化来强化原子反应堆外重水与反应堆的强化？ 研105班 沈忠良 2010年11月26日