含氣泡液體的非線性參數(shù)研究.pdf

1、當(dāng)液體中混有氣泡時(shí),由于氣體的聲阻抗及密度等物理特性與液體有明顯的不同,導(dǎo)致混合介質(zhì)聲學(xué)性質(zhì)的顯著改變,特別是在氣泡諧振頻率附近與純凈液體的區(qū)別很大。此外,聲波在含氣泡的液體中傳播時(shí),氣泡的受迫振動(dòng)會(huì)引起聲散射,體現(xiàn)強(qiáng)的非線性聲特性,從而其非線性參數(shù)B/A與純凈液體的相差很大。
　　在介質(zhì)中,聲壓隨密度變化或交替地隨聲速變化的物態(tài)方程的泰勒級(jí)數(shù)展開式中二階項(xiàng)系數(shù)與線性項(xiàng)系數(shù)之比被稱為非線性參數(shù)B/A,它是在非線性聲學(xué)中用來(lái)衡量這一

2、介質(zhì)的非線性效應(yīng)大小的尺度。非線性參數(shù)決定了產(chǎn)生的二階諧波的幅度,反映了介質(zhì)的動(dòng)態(tài)特性。與此相似的是三階非線性參數(shù)C/A,它是物態(tài)方程的泰勒級(jí)數(shù)展開式中三階項(xiàng)系數(shù)與線性項(xiàng)系數(shù)之比,同樣能反映介質(zhì)的某些特性。聲波在含氣泡水中傳播時(shí),由于氣泡的存在,基波能量會(huì)在很短的距離內(nèi)迅速向高次諧波轉(zhuǎn)移,介質(zhì)會(huì)體現(xiàn)非常強(qiáng)烈的非線性,由此產(chǎn)生的二階與三階諧波比較明顯,不能被忽略。
　　本文首先建立了一套電解水的系統(tǒng),通過(guò)在玻璃水缸內(nèi)電解水的方式來(lái)獲

3、得分布均勻,大小穩(wěn)定的氣泡群;其后分別用光學(xué)測(cè)量和聲學(xué)反演的方法對(duì)氣泡的尺度進(jìn)行了研究。在光學(xué)測(cè)量方法里,通過(guò)對(duì)比可發(fā)現(xiàn),在本實(shí)驗(yàn)氣泡的粒徑條件下,數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的邊緣檢測(cè)方法最行之有效,氣泡可認(rèn)為遵循泊松分布。針對(duì)以往氣泡群分布聲學(xué)測(cè)量方法的弊端,提出了一種新的聲學(xué)反演方法,即通過(guò)測(cè)量不同聲波頻率下氣泡群的散射強(qiáng)度,進(jìn)而反演出氣泡的粒徑和密度。
　　利用獲得的電解水產(chǎn)生氣泡的分布參數(shù),研究了氣泡幕的聲學(xué)特性。由于氣泡對(duì)聲波的強(qiáng)散射以

4、及氣泡間的相互作用,在含有氣泡幕的水中,混合介質(zhì)的聲速及聲吸收系數(shù)都會(huì)隨著入射聲波頻率的改變而發(fā)生變化,尤其是在氣泡諧振頻率附近,聲波相速度與聲吸收系數(shù)相較純水而言差別很大。研究氣泡幕的聲學(xué)性質(zhì),對(duì)于含氣泡液體在實(shí)際中的應(yīng)用具有重要意義,也是開展下一步實(shí)驗(yàn)與研究的重要基礎(chǔ)。
　　其后介紹了三階Rayleigh-Plesset方程的體積形式,在此基礎(chǔ)上結(jié)合含氣泡液體內(nèi)的非線性波動(dòng)方程,利用微擾法研究了含氣泡液體中高次諧波的滋生機(jī)理,

5、建立了聲傳播的二階及三階非線性物理模型,并給出計(jì)算含氣泡水中非線性參數(shù)B/A與C/A的計(jì)算公式。研究發(fā)現(xiàn)含氣泡水中聲波的傳播是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程,尤其是三階諧波,不僅會(huì)由基波滋生,還會(huì)由基波與二次諧波共同作用產(chǎn)生,因此含氣泡液體可以看作一種具有特殊非線性聲參量的液體介質(zhì)。此外,含氣泡水的等效三階非線性參數(shù)并不是一個(gè)定值,它與實(shí)驗(yàn)距離和實(shí)驗(yàn)頻率有關(guān)系,具體表現(xiàn)在C/A隨接收距離的增大而增大,而在諧振頻率達(dá)到極大值;同時(shí)它也與氣泡的分布參數(shù)

6、密切相關(guān)。
　　最后介紹了含氣泡液體非線性參量B/A與三階非線性參數(shù)C/A的測(cè)量,設(shè)計(jì)了并進(jìn)行了純水與含氣泡水的非線性參數(shù)實(shí)驗(yàn),對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理及分析。首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的非線性參數(shù)B/A與前人的理論進(jìn)行比較,驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。通過(guò)建立一個(gè)含氣泡水的非線性聲場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,用有限振幅插入取代法研究非線性聲參量B/A,并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析各因素對(duì)非線性參數(shù)所產(chǎn)生的影響。利用測(cè)量三次諧波與基波幅值的方法,獲得介質(zhì)的三階非線性參數(shù)C/A