声空化物理

内容简介

　　《声空化物理》围绕声空化介绍相应的物理学知识和应用技术。 在连续介质力学的理论框架里，介绍均匀流体中的声传播理论、不同流体中的界面行为以及振动表面的声辐射问题等。重点介绍Rayleigh 气泡动力学模型的建立、修正和求解。阐述过程由浅入深、循序渐进，从无阻尼、无驱动的小幅脉动气泡开始，然后引入阻尼、驱动，得到描述声空化泡脉动的Rayleigh-Plesset 方程，理论推广到可压缩流体和非球对称情形。非线性是气泡动力学的一个重要特征，为此，《声空化物理》介绍空化泡脉动的周期、倍周期、多周期和混沌特征，以及气泡动力学方程的数值求解。声空化是一种强声效应，围绕强超声波的激发，《声空化物理》介绍材料的弹性、介电性和压电性，以及超声波电源相关的电路理论；而作为强声产生的效应，专门介绍当前热门课题声致发光；介绍进入各行各业的声空化应用技术，其中包括超声清洗、超声粉碎、超声灭菌、超声萃取、声化学、超声治疗学和包膜微气泡及其临床应用。

目录

前言

第1章 ?绪论

第2章 ?液体中的声波

? 2.1 ?理想流体中的声波理论

? ? 2.1.1 ?Euler方程

? ? 2.1.2 ?Bernoulli方程

? ? 2.1.3 ?连续性方程

? ? 2.1.4 ?守恒形式的流体力学基本方程

? ? 2.1.5 ?物态方程

? ? 2.1.6 ?过程方程

? ? 2.1.7 ?理想气体的绝热指数

? 2.2 ?声波方程的求解及其简单解

? ? 2.2.1 ?声波方程的微扰展开

? ? 2.2.2 ?线性化声波方程

? ? 2.2.3 ?边界条件和初始值

? ? 2.2.4 ?线性声波方程的简单解

? 2.3 ?声场的能量

? ? 2.3.1 ?能量

? ? 2.3.2 ?能量密度

? ? 2.3.3 ?能流和能流密度

? 2.4 ?声波在界面上的行为

? ? 2.4.1 ?衔接条件

? ? 2.4.2 ?反射定律和折射定律

? ? 2.4.3 ?声全反射

? ? 2.4.4 ?反射系数和透射系数

? ? 2.4.5 ?声阻抗

? 2.5 ?声辐射

? ? 2.5.1 ?球面声辐射理论

? ? 2.5.2 ?辐射声波的强度

? ? 2.5.3 ?声辐射阻抗.

? 2.6 ?黏性流体中的声波

? ? 2.6.1 ?流体中的应力张量

? ? 2.6.2 ?Nevier一Stokes方程

? ? 2.6.3 ?曲线坐标系中的微分运算

? ? 2.6.4 ?球坐标下的Navier-Stokes方程

? 2.7 ?场和物质运动

? ? 2.7.1 ?Euler体系流体理论

? ? 2.7.2 ?Lagrange体系流体理论

? ? 2.7.3 ?Euler体系和Lagrange体系之间的相互转换

? ? 2.7.4 ?Euler体系和Lagrange体系的物理量的区别

第3章 ?电一超声波能量转换

? 3.1 ?晶体压电性的微观机理

? 3.2 ?晶体的弹性

? ? 3.2.1 ?应力张量和应变张量

? ? 3.2.2 ?广义Hooke定律

? ? 3.2.3 ?六维矢量表示的应力和应变张量

? ? 3.2.4 ?Young模量、切变模量和Poisson比

? ? 3.2.5 ?弹性体中的弹性能量密度.

? 3.3 ?晶体的介电性

? ? 3.3.1 ?极化的量子微观机理

? ? 3.3.2 ?极化率张量

? ? 3.3.3 ?介电常数张量

? ? 3.3.4 ?电介质中的电能量密度

? 3.4 ?晶体的压电性

? ? 3.4.1 ?压电效应和逆压电效应

? ? 3.4.2 ?压电常数

? ? 3.4.3 ?压电方程

? ? 3.4.4 ?压电晶体中的能量密度

? ? 3.4.5 ?机电耦合系数

? 3.5 ?超声换能器

? ? 3.5.1 ?电声转换元件

? ? 3.5.2 ?变幅杆原理.

? ? 3.5.3 ?超声换能器.

? ? 3.5.4 ?压电换能器的等效电路

? ? 3.5.5 ?压电换能器的阻抗频率特性

? ? 3.5.6 ?压电换能器的阻抗匹配

? 3.6 ?超声功率放大器

? ? 3.6.1 ?放大器的种类和特性

? ? 3.6.2 ?D类放大器

? ? 3.6.3 ?频率跟踪电路

? ? 3.6.4 ?超声波发生器

第4章 ?液体的空化

? 4.1 ?空化阈值

? ? 4.1.1 ?理想空化和有核空化

? ? 4.1.2 ?空化泡的形状

? ? 4.1.3 ?表面张力

? ? 4.1.4 ?弯曲液体表面的附加压力

? ? 4.1.5 ?空化核

? ? 4.1.6 ?有核空化和Blake空化阈值

? 4.2 ?声空化

? ? 4.2.1 ?超声空化

? ? 4.2.2 ?水力空化

? ? 4.2.3 ?水翼空化

? ? 4.2.4 ?螺旋桨空化

? ? 4.2.5 ?水锤空化

? 4.3 ?空

摘要与插图

第 1章绪论
声波在液体中传播,在时空上产生压力起伏,出现低于静态压力的负压状态?当液体处于负压状态时,分子间受到较小的压力或者是拉力的作用?此时,液体内部原有的结构缺陷 (空化核 )会逐渐成长,形成肉眼可见的空腔,这种现象就是声空化 (acoustic cavitation)[1]?由于声波就是压力波,广义地讲,一切由于压力变化而引起的液体中出现气泡的过程,都是声空化?因此,声空化现象是一种常见的物理现象,不只是在实验室里出现?例如,当我们把一瓶矿泉水摔到桌子上时,水中出现气泡;高速转动的舰船螺旋桨,出现气泡尾流;医院里,超声波碎石机的电弧激发超声波,聚焦到人体结石处,实现体外碎石?这些都和声空化有关?实际上,在自然界中,声空化现象也比比皆是?例如,高山流水?雨打湖面等都会出现声空化现象,甚至连深海明虾的大鳌的高速闭合也会产生声空化 [2]?
由于表面张力的作用,空化泡的形状几乎是球形的,半径越小,非球度越小?在声波作用下,气泡仍能保持完好的球对称性,做几乎纯径向的脉动?这意味着声波正在驱动一个三维的活塞对气泡内气体做功?活塞系统通常是一维的,如我们熟悉的打气筒?注射器等?在运动过程中,活塞截面保持不变,只有高度发生变化,因此这是一个一维的活塞?当我们压缩一维活塞时,气体的高度减少,体积也随之减少,如果高度压缩 10倍,体积也压缩 10倍?但是,我们的空化泡不是一维的?当声波对一个球形气泡压缩时,气泡半径减少,气泡体积也随之减少? 10倍的半径压缩比,将产生 1000倍的体积压缩比?因此,空化泡是一个三维的活塞系统?三维活塞系统所产生的物理效应,在通常的一维活塞中是难以看到的,这是出乎我们的意料的?对一个孤立系统,压缩体积,意味着气泡内能量密度上升,因此空化泡具有很强的空间聚能能力?更有意思的是,即使在单频简谐声波的驱动下,空化泡的脉动也是高度非线性的?这一点已经通过对气泡演化过程的测量以及对它的动力学方程的数值求解得到证明?结果显示,气泡脉动并不像驱动声压那样,半周期压缩,半周期膨胀,而是经过缓慢膨胀之后的急剧压缩?通常,膨胀时间在几十微秒量级,而急剧压缩的过程只有纳秒量级?可见,在时间上,空化泡脉动也具有显著的能量积聚能力?实验表明,在常规声压,例如,幅度为一个大气压 (1atm=1.013 × 105Pa)?频率为 25kHz的超声波驱动下的一个水中空化泡,半径压缩比可以高达 100倍,空间压缩比达到 106,而时间压缩比也高达 105,导致空化泡内气体的能量密度提升 11个量级!它是我们在 3+1维时空里罕见的能量汇聚系统?当空化泡被压缩至半径前后,空化泡内部有数万度的高温和数千个大气压的高压,气泡壁的运动速度数十倍于液体的声速,其加速度达到数千个重力加速度,形成了宏观系统难以实现的高温高压?与此同时,声空化泡的脉动和破裂导致周围液体中出现声微流?声喷注和冲击波等强声效应?
空化泡内部的物理条件和在其周围液体中出现的强声效应,导致一系列的物理效应?化学效应和生物效应等?型的是声光能量的转换,即声致发光 (sonoluminescence)现象 [3]?所谓声致发光,指的是声波驱动下的空化泡发射可见光的现象?虽然物理学告诉我们,不同形式的能量可以相互转换,但是我们通常见到的光多数是来自核能 (太阳光 )?电能 (电灯,雷电 )和化学能 (燃烧 )?声致发光是声能 (机械能 )直接转换成光能的一个事例?我们知道,原子能级是 eV量级,可见光的光子能量也在 eV量级?如果光子是由于高温产生,那么只有 10000K的高温才能辐射一个 eV能量的光子?换言之,声致发光现象表明,空化泡内部温度达到万度量级?对于一个宏观系统,上万度的高温是很难实现的,但是在一个小气泡里实现了?人们还尝试进一步提高驱动声压,探索声致聚变 (sonofusion)[4,5]?尽管