声波驱动下气泡群非线性共振.pdf

中国科学：物理学 力学 天文学 2015年 第 45卷 第 6期：064301 《中国科学》杂志社 SCIENTIASINICA Physica．MechanicaAstronomica phys．scichina．com SCIENCECHINAPRESS 声波驱动下气泡群的非线性共振 王成会，胡静，曹辉，林书玉 ，安帅 陕西师范大学超声学重点实验室，西安 710062 联系人．Email：sxsdsxs@snnu．edu．cn 收稿 日期：2015一O1．28；接受 日期：2015—0318；网络出版 日期：201504．17 国家 自然科学基金(批准号l1474191，I137419911474192)、国家留学基金和陕两省 自然科学基金(编号 2013JQ1017)资助项 目 摘要 由于次级声辐射的影响，泡群 内的气泡处于群振动状态．基于气泡耦合振动方程，利用逐级近 似法分析了气泡非线性声响应，得到了基频成分、一阶和二阶谐频成分、一阶和二阶次谐频成分的幅频 关系式，并以此为基础分析了气泡在基频共振区(~coo)、一阶和二阶谐频共振区(~COo／2， 3)的声 响应特征．数值分析表明：泡群 内气泡数密度 以及气泡初始半径对其共振声响应影响显著，而气泡在泡 群内所处的相对位置影响相对较小．气泡的次谐频共振(o~2co0，093 )只有在驱动压力幅值超过一定 阈值后才可能发生，且压力阈值随着气泡初始半径的增加而减小． 关键词 次级声辐射，非线性声响应，耦合振动，共振 PACS：43．25．+y，43．35．+d，46．40．Ff,47．55．dd doi：10 1360／SSPM A2015—00047 1 引言 用 [8,91．气泡之间的次级相互作用必将影响彼此的振 动形态和总声场 内气泡的分布状态．自空化现象被 超声波换能器连接变幅杆能够在液体 内激发较 发现 以来，气泡动力学的研究逐步从单气泡动力学 高强度的声波，从而引起较为剧烈的空化效应，能够 过渡到双泡和多泡动力学I】o_H1，为理解气泡在声波 达到粉碎细胞、增强物质传输和化学反应等效果．强 作用下的动力学特征 以及对声能量利用效率的影响 超声波作用下大量的气泡聚集在辐射面附近形成局 做 了大量而有 效的工作 [15-20],但人们对气泡的群振 部振荡泡群ll～1．声场 中气泡除受源声场影响之外。 动的耦合机制仍在探索之中． 气泡的径 向振动在液体中引起次级声辐射并影响邻 通常情况 下，一定强度声波作用下的空化气泡 近气泡的运动和液体 内的声场分布I4墙】．Bjerknes最早 作非线性受迫振动，气泡径向运动除含有基频振动 对气泡间的相互作用进行了描述，声波作用下的气 模式 09外，还包含谐频成分n (n=1，2，…)和次谐频 泡间存在相互吸引或排斥的现象，这种现象与气泡 成分 110)(n=1／2，1／3，…)等，气泡在液体 中构成一个 振动辐射形成的次级声场 的声压梯度有关，振动气 泡次级声辐射使其周围气泡受到次级 Bierknes力作 复杂的声响应系统 刚．通过分析气泡在声波作用 王成会等． 中国科学：物理学 力学 天文学 2015年 第45卷