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秋风扫落叶

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声空化物理_陈伟中

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第1章绪论难的。而且,照明激光的能量密度是有限制的,过强的激光会破坏空化泡。到目前为止,基于高速相机的实时成像技术进展缓慢。目前,多采用Mi散射技术28]、脉冲Mie散射技术29]、差频积分成像技术30和数字锁相积分技术31]等对空化泡进行动力学测量。结果显示,空化泡的脉动是高度非线性的,体积压缩比达到105等。该结果能和声致发光的光谱测量、声化学效应测量结果相互支持,为揭示空化泡的聚能机制提供直接证据。声学是一个外向性学科,声空化的研究和应用充分体现了这个特性。它始于舰艇螺旋桨的空蚀,首先在化学领域中得到广泛应用,目前与它相关的技术已经进入各个自然学科。声空化问题不是单纯的声学问题,它紧密联系着流体力学、热力学、光学、固体物理等,还涉及电子学、化学和生命科学等。声空化的外向性特征成了读者进入该领域研究和工作的一个障碍,不利于声空化研究的开展。目前,国际上有关声空化的专著也少有出版,国内几近空白。本书的宗旨是向具备大学物理和高等数学知识的读者,系统展示声空化现象中所涉及的物理问题和解决方法。本书共分7章。第1章,阐述声空化的一些基本概念、历史背景、取得的重大进展和当前的研究动态。第2章,介绍声空化相关的物理学知识,重点阐述流体中的声波问题,这是本书的理论基础,对非声学专业的读者尤为重要。第3章,围绕着超声换能器激发超声波的各个主要环节,介绍相应的物理学原理和相关技术,其中包括晶体的弹性、介电性和压电性、振动幅度变换等内容。第4章,先理论上阐述产生空化现象的临界物理条件:再介绍各种常见的空化现象,如声空化、水力空化、水翼空化、螺旋桨空化和水锤空化等;然后介绍两种直接的声空化效应,即空蚀和空化噪声;最后介绍声空化强度的表征。第5章,介绍描述空化泡脉动的理论模型、数学求解和实验测量。具体的步骤是:从最简单的球形气泡动力学模型一Rayleigh方程的推导开始,顺序渐进,逐步完善,给出当前普遍使用的Rayleigh-Plesset方程,并延伸到可压缩流体和非球对称情形:然后,介绍气泡动力学方程的线性化近似求解和计算机数值求解;最后,介绍空化泡脉动的实验测量技术。第6章,介绍声空化的重要效应一声致发光现象及其物理特性,这部分内容多数是取自于最近10年来的科研成果报道,它是进入声空化物理研究的主要文献资料。第7章,介绍声空化的一些重要应用或者有潜在应用的基于声空化的超声技术,其中包括超声清洗、超声粉碎、超声萃取、声化学、高强度聚焦超声刀以及医用超声造影剂等。通过阅读本书,可以深刻理解声空化的物理本质,从而快速进入声空化研究行列。第2章液体中的声波声是一种机械波,是振动在弹性介质中的传播。介质内要形成声波,需要具备两个特性,一是组成介质的质点具有惯性,二是质点之间具有弹性。声波是惯性和弹性共同作用的结果。图2.1给出的一维弹簧振子链,就是最简单的弹性介质模型,通过这个简单模型我们可以看到声波的形成过程。在链的左端有一个振动(声源),使得紧邻连接的弹簧变形,弹力作用导致右边紧邻质量的振动:它的振动又引起它紧邻弹簧的变形,进而推动下一个质量的振动···这样,声源就在弹簧振子系统里形成声波。从图2.1()可以看到,声波传播方向是从左到右(水平方向),而质点振动的位移方向也是水平的,这种声波称为纵波(longitudinal wave)。纵波导致介质质量的疏密变化,因此也称为密度波。而图21(b)显示的声波,质点振动方向是垂直的,但声波传播方向依然是水平的,这种波动模式称为横波(切波,shearwve)。在空气和理想流体里,声波都是纵波。而在固体和黏性液体里,不仅可以有纵波,还可以存在横波。我们知道,电磁波是一种横波,而固体中的声波既有纵波又有横波,固体中的声波理论比电磁波更为复杂。振动方向传播方向振动方向传播方向图2.1弹簧振子链中的声传播示意图(a)纵波:(b)横波声波根据振动频率可以划分为次声(infrasound、音频声(audio)、超声(ultra-sound),如图2.2所示。6第2章液体中的声波次声音频声超声微波超声2020k300M频率/Hz图2.2声波(1)次声指的是低于人类听觉范围的低频声,就是低于20Hz的声波。在自然界中大量存在次声,特别是一些灾难性气候会引发高强度次声,如地震和海啸。当然,一些高能量的人类活动也会激发次声,如核弹爆炸。人耳不能感觉次声,但高强度的次声对人类能造成头晕、呕吐等生理反应。(2)音频声指人类听觉范围内的声波,这类声波和人类最为密切,涉及我们生活的各种领域。例如,交流的语言,动听的音乐,当然还有恼人的噪声。(3)超声泛指高于人类听觉范围的声波,即高于20kHz的声波。根据目前技术水平,人们能够产生高于GHz,达到100GHz的特高频超声。由于特高频超声在许多物理特性上不同于相对低频的超声,目前已形成了新的学科分支,称为微波声学(microwave acoustics)。这里的微波指的是电磁波的微波波段,即300MHz300GHz频段。但由于声速比光速小5个量级,因此,微波超声的波长远短于微波波长,进入亚微米量级。本书的宗旨是介绍声空化现象,它是低频超声进入液体之后所产生的一种物理效应,通常使用的超声波频率在20kHz~100MHz。因此,我们所指的超声不包括微波超声。作为本书的理论基础,本章先介绍声波在液体中的传播问题。在声传播研究中,液体和气体具有类似的性质,它们内部的分子都可以任意移动,统称为流体。下面就介绍声波在流体中的传播问题。2.1理想流体中的声波理论最简单的流体是理想流体,所谓理想,指的是:(1)连续性假设,假设流体是充分连续的,即声波波长远大于流体内部分子的(2)无耗散假设,组成流体的分子可以在流体内部自由移动而不消耗能量。虽然理想流体是一种简化的流体模型,和实际流体有一定的区别,但它给出了流体的一些最为重要的流体性质,以它为介质来研究声波在流体中传播的基本规律是非常合适的,既简单又突出重点。下面我们先研究理想流体中的声传播问题,2.1理想流体中的声波理论然后将介质延伸到更接近实际流体的黏性流体。2.1.1 Euler方程我们已经假设流体是连续的,因此描写流体的物理量都是空间坐标x,弘,z的么,这个体积元的动量为vdm,它的时间变化率为ddi(vdm)=di(vpdxdydz).(2.1)考虑到,虽然体积元的大小d:cdudz和密度p都是随时间变化的,但它的质量是不随时间变化的,因此,该体积元的动量变化率为ddtdxdydz.(2.2)下面分析该体积元的受力情况(图23)。首先,体积元将受到两种类型的力的作用。其一是与质量成正比的质量力(也可称体积力),它是和质量成正比的力,即df=gdm,其中g为单位质量力。这种力的典型代表就是常见的重力,此时g就是重力加速度。其二是通过表面施加的力,称为表面力。由于我们已经假设流体是理想的,流体分子可以在内部自由流动,因此,施加于任一面元的力只能是正压(拉)力,其作用线和面元法线重合。以面元dydz为例,它受到的力只能沿着x轴向,大小为(2.3)F(r+dz.y.z,t)图2.3流体中体积元的x方向表面力
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