超声波声孔效应中气泡动力学的研究
声波气泡共振实验报告
摘要：本实验旨在探究声波与气泡共振现象，通过观察气泡在不同频率声波作用下的振动情况，分析共振频率对气泡振动的影响，并验证声波能量传递的原理。
实验结果表明，当声波频率与气泡固有频率相匹配时，气泡振动幅度达到最大，验证了共振现象的存在。
一、实验目的：1. 研究声波与气泡共振现象，分析共振频率对气泡振动的影响。
2. 验证声波能量传递的原理，探究声波与气泡相互作用的关系。
3. 掌握实验仪器操作，提高实验技能。
二、实验原理：共振现象是指当外力频率与系统的固有频率相匹配时，系统振动幅度显著增大的现象。
在声波与气泡相互作用的过程中，当声波频率与气泡固有频率相匹配时，气泡振动幅度达到最大，声波能量在气泡中有效传递。
三、实验仪器与材料：1. 气泡发生器2. 超声波发生器3. 频率计4. 激光测距仪5. 气泡计数器6. 水箱7. 水泵8. 计算机及数据采集软件四、实验步骤：1. 将气泡发生器连接到超声波发生器，调节超声波发生器输出频率。
2. 将水箱置于气泡发生器上方，开启水泵，使水箱内水位保持稳定。
3. 在水箱内加入一定数量的气泡，并使用气泡计数器记录气泡数量。
4. 使用激光测距仪测量气泡距离水面高度，记录数据。
5. 调节超声波发生器输出频率，分别进行不同频率的声波作用实验。
6. 观察气泡在不同频率声波作用下的振动情况，记录气泡振动幅度。
7. 使用计算机及数据采集软件处理实验数据，分析共振频率对气泡振动的影响。
五、实验结果与分析：1. 在实验过程中，观察到气泡在不同频率声波作用下的振动情况。
当声波频率与气泡固有频率相匹配时，气泡振动幅度达到最大，验证了共振现象的存在。
2. 通过实验数据分析，发现共振频率与气泡固有频率存在一定的关系。
当声波频率逐渐接近气泡固有频率时，气泡振动幅度逐渐增大；当声波频率等于气泡固有频率时，气泡振动幅度达到最大；当声波频率继续增大时，气泡振动幅度逐渐减小。
3. 实验结果还表明，声波能量在气泡中有效传递。
基于连续超声波测量气泡参数的实验研究
能源研究与信息 Energy Research and Information
Vol.35 No.4 2019
文章编号：1008 − 8857(2019)04 − 0227 − 07
DOI: 10.13259/ki.eri.2019.04.008
基于连续超声波测量气泡参数的实验研究
Keywords：ultrasound; acoustic resistance; continuous wave; bubbles; counting
气泡的运动是气液两相流研究中的一个基本 问题，在很多实验和工程问题中起着重要作用， 尤其是油中和水中的气泡［1］。在电力系统中有许 多机械传动部件浸泡在润滑油中，若润滑油中存 在气泡会使油膜破裂，致使摩擦面发生烧结或增 加磨损，并促使润滑油氧化变质。同样，沸腾换 热是一种高效的换热方式，可通过测量气泡的脱 离直径、脱离频率以及加热表面的汽化核心密度 研究池沸腾换热的传热机理［2］。因此，气泡状态 参数与操作条件、液体性质、气体产生方式等有 密切关系，其实时测量对于相关工业过程具有重 要意义［3］。
Abstract：A method based on acoustic resistance has been proposed to simultaneously measure the size, number and speed of the millimeter-sized bubbles in the liquid. When the ultrasonic waves propagated in the liquid which contained the bubbles, great difference of acoustic impedance between the bubbles and liquid made strong reflection/scattering occur on the bubble surface. Some of ultrasound couldn't pass and thus attenuated ultrasonic signal would be received. A transmitted ultrasonic wave with frequency of 200 kHz was chosen to measure the bubbles in the lubricating oil. In these experiments, the bubbles, whose size and speed were lied in the range from 2 to 6 mm and from 0.10 to 0.30 m·s−1 respectively, passed the measurement zone with frequency from 5 to 10 Hz. The relationship between waveform amplitude and bubble size, as well as the relationship between waveform transition time and bubble velocity and passing number were analyzed. The
超声生物学效应的原理
超声生物学效应的原理
超声生物学效应是指超声波对生物体产生的物理、化学、生物学等效应。
其主要原理包括以下几点：
1. 声压力效应：超声波的高频振动作用于生物体时，产生的声压使生物体内的液体和气体发生压缩和膨胀，导致微观结构的变化，进而产生生物效应。
例如，声波压力可以破坏细胞膜的完整性，导致细胞溶解或死亡。
2. 空化效应：在超声波作用下，液体中的气泡会受到声波的周期性压缩和膨胀，产生空化现象。
当气泡膨胀到临界大小时，会发生剧烈的坍缩，释放大量能量，产生局部高温、高压和剪切力，对生物体产生破坏效应。
3. 热效应：超声波能够产生摩擦热，通过声波振动将声能转换为热能，导致局部温度升高。
这种热效应可以用于治疗，如高强度聚焦超声治疗肿瘤。
4. 声动力学效应：超声波对物体产生机械能，可以通过声波的传导、传播和耦合作用，实现对生物组织的物理刺激。
例如，超声波可以改变细胞膜的通透性，促使药物、蛋白质等物质的穿透和吸收。
5. 声流变学效应：超声波可以通过声波振动改变生物体内部流体的流动性质，如增加流体的黏度、改变流体的流动模式等。
这可以用于提高药物的输送效率和组织的治疗效果。
总之，超声生物学效应是由于超声波的机械性质和能量对生物体产生的多种物理、化学和生物学效应的综合作用。
超声空化气泡动力学仿真及其影响因素分析
超声空化气泡动力学仿真及其影响因素分析崔方玲;纪威【期刊名称】《农业工程学报》【年(卷),期】2013(000)017【摘要】为获得最佳的超声空化效果，构建了空化气泡运动的动力学模型，并对模型方程进行数值仿真，探讨了超声频率、声压、空化泡初始半径、反应体系主体温度和绝热指数对空化气泡运动的影响。
模拟结果表明，随着超声频率的增加，空化效应减弱；随着声压幅值的增大，空化泡最大振幅增加，崩溃时的最高温度和最大压力先增大后减小；气泡的初始半径较小，并且反应体系温度较低时，空化效果较好；绝热指数取值的不同会导致空化模拟计算结果有所差异，该研究为超声空化技术的广泛应用提供参考。
%Ultrasonic waves can be found in many different areas such as chemistry, biology, cleaning, medicine, etc. The mechanical interaction between ultrasonic waves and bubbles in liquids leads to a phenomenon described as ultrasonic acoustic cavitation. A cavitation bubble in a liquid undergoes cycles of growth, rapid collapse, and damped rebounds in response to ultrasonic sound waves. Due to the very short lifetime of an ultrasonic cavitation bubble, the high temperature and pressure from its collapse haven’t hitherto been measurable, but the cavitation process can be simulated by constructing a dynamic model of a cavitation bubble. This paper explores physical conditions under which the best ultrasonic cavitation effect can be obtained and provides theoretical guidance for extensive applications of ultrasonic cavitation. Based on theRayleigh-Plesset equation, we perfected bubble dynamic motion in an ultrasonic cavitation model by considering viscosity, surface tension, vapour pressure, adiabatic exponent, and acoustic radiation damping as dynamic factors. Since temperature variations influence physical properties of water, physical models of water saturation vapor pressure, surface tension, sound velocity and viscosity with temperature changing were also built. Thus, influences of ultrasonic frequency, acoustic pressure amplitude, initial bubble radius, bulk solution temperature, and adiabatic index on the evolution process of an ultrasonic cavitation bubble are discussed accordingly. The simulation results indicate that the cavitation effect decreases as ultrasonic frequency increases. With an increase of ultrasonic sound pressure, the radius of cavitation bubble amplitude increases, and both the highest temperature and maximum pressure first increase and then decrease when a bubble collapses. In addition, the cavitation effect’s best condition occurs when the initial radius of a bubble is smaller and the reaction system temperature is relatively low. Moreover, different adiabatic indexes cause variations in our cavitation simulation results. Therefore, in order to obtain a good cavitation effect, the following conditions must be satisfied:1) The frequency of an ultrasonic generator should be lower than 40 kHz, and the lower the frequency, the better the results; 2) The ultrasonic power should be moderate with a suggested sound pressure amplitude within the range 0.2-0.35 MPa; 3) The temperature of the reaction system should not be higher than 320 K, and the lower the temperature, the better the results.【总页数】6页(P24-29)【作者】崔方玲;纪威【作者单位】中国农业大学工学院中国农业大学生物质中心，北京 100083;中国农业大学工学院中国农业大学生物质中心，北京 100083【正文语种】中文【中图分类】O426.4【相关文献】1.超声空化气泡运动的数值模拟 [J], 张红;丁述理;徐博会;任晓慧2.超声空化气泡运动过程的数值分析 [J], 王捷3.低频超声空化场中柱状泡群内气泡的声响应∗ [J], 王成会;莫润阳;胡静4.基于MATLAB的超声空化气泡动态仿真 [J], 王捷;徐军华;靳伟;5.超声空化对溴化锂溶液气泡运动的影响 [J], 郝广宇;韩吉田;李良洁;展茂胜因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
超声空化气泡动力学仿真及其影响因素分析
第29卷第17期农业工程学报 V ol.29 No.172013年9月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Sep. 2013 24 超声空化气泡动力学仿真及其影响因素分析崔方玲，纪威※（中国农业大学工学院中国农业大学生物质中心，北京 100083）摘要：为获得最佳的超声空化效果，构建了空化气泡运动的动力学模型，并对模型方程进行数值仿真，探讨了超声频率、声压、空化泡初始半径、反应体系主体温度和绝热指数对空化气泡运动的影响。
模拟结果表明，随着超声频率的增加，空化效应减弱；随着声压幅值的增大，空化泡最大振幅增加，崩溃时的最高温度和最大压力先增大后减小；气泡的初始半径较小，并且反应体系温度较低时，空化效果较好；绝热指数取值的不同会导致空化模拟计算结果有所差异，该研究为超声空化技术的广泛应用提供参考。
关键词：动力学模型，超声，空化，因素分析doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2013.17.004中图分类号：O426.4 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2013)-17-0024-06崔方玲，纪威. 超声空化气泡动力学仿真及其影响因素分析[J]. 农业工程学报，2013，29(17)：24－29.Cui Fangling, Ji Wei. Dynamic simulation of ultrasonic cavitation bubble and analysis of its influencing factors [J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(17): 24－29. (in Chinese with English abstract)0 引 言随着科学技术的发展，超声在化工、医疗、生物等众多领域得到了广泛的应用[1-6]。
超声波作用下气泡间的相互作用力
超声波作用下气泡间的相互作用力王成会;胡静;莫润阳【摘要】The acoustic radiation of the bubbles is considered in the equation of bubble dynamics, and the forces of interaction between oscillating bubbles are researched theoretically. The numerical results show that there is the attraction interaction between the bubbles with the same size, and the attraction and repulsion appear alternately because the phase of interacting forces vary with time when the two bubbles have different sizes. By high speed photography, the distribution of bubbles is observed in the ultrasonic field caused by the working transducer whose radiation surface is submerged in the tap water. When a local bubble cluster moves to the region where sound pressure is weaker, there is a single bubble escaped continuously from the pit of bubble cluster surface, which presents that bubbles repulse each other in that position. The two bubbles are attractive to each other when their sizes are almost same.%考虑邻近振荡气泡的声辐射对气泡动力学行为的影响,得到了气泡间的相互作用力的表达式.通过数值分析,发现尺寸相同的气泡之间具有引力作用,尺寸不同气泡之间的相互作用力的相位随时间发生变化,引力和斥力交替出现.利用高速摄影系统观察了换能器在自来水中形成的气泡分布.当振荡的局部泡群运动到声压相对较弱区域时,将有单个气泡从泡群表面凹陷处逸出,表明该位置附近气泡之间主要表现为相互排斥.尺寸几乎相同的气泡间则相互吸引.【期刊名称】《陕西师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2011(039)003【总页数】5页(P27-31)【关键词】气泡动力学;泡群;相互作用力;高速摄影【作者】王成会;胡静;莫润阳【作者单位】陕西师范大学应用声学研究所,陕西西安,710062;南京大学声学研究所,江苏南京210093;陕西师范大学应用声学研究所,陕西西安,710062;陕西师范大学应用声学研究所,陕西西安,710062【正文语种】中文【中图分类】O426.2气泡间的相互作用力对气泡的相对位置分布[1-4]具有重要的调节作用,同时,对弄清泡群的振动和变化的内部机制[5-8]也具有积极意义.在液体中,气泡与气泡之间若具有一定距离,则相互作用力是通过“场”实施的.因此,可以认为,在每一个独立的气泡周围存在一个力场,力场强度与气泡的振动变化有关.若气泡作连续的周期性振荡,在液体中形成的力场强度等于其辐射声场强度[7].若为瞬态空化气泡,它在一个或几个声周期就会崩溃,在液体中的力场表现为单脉冲冲击波.一般情况下,气泡在声场中的振动是非线性的,运动情况对初始半径大小反应较为敏感.在同一声场中,不同初始半径的气泡振动形式不同,大致有3类[9]:受迫振动气泡(初始半径相对较小,还未发展为空化气泡的微气泡)、受本征频率调制的小幅振动气泡(初始半径相对较大)和空化气泡.前两类辐射连续波.由于声场中气泡的多样性,气泡间相互作用变得更加复杂,同时有气泡的聚并、空化气泡崩溃后新气泡的生成以及由于液体环境变化而影响溶解气体状态而不断有新的气泡核生成,还有液体内的悬浮粒子对空化泡群聚集状态的影响等.总之,超声波作用下的液体场非常复杂[10].张鹏利等[11]对声场中相互作用的两空化气泡共振频率、共振振幅和空化噪声声压与气泡间距之间的关系的研究结果表明,在一定范围内,气泡间相互影响不能忽略.何国庚等[12]对空泡溃灭的力效应进行了研究,得到了邻近气泡受到的Bjerknes力[13]的表达式,并对其进行了数值分析,表明空泡崩溃时对邻近气泡的作用力能够极大地影响气泡的运动.实验表明,超声波作用下的液体内的气泡半径分布范围很广,相邻的气泡间存在相互作用,从而可导致气泡分布状态的变化.在本文中,作者将对不同尺度范围内的气泡之间的相互作用力进行研究,分析其对气泡的分离和聚合的影响.设不可压缩的液体内有两个初始半径分别为R10、R20,间距为 D的径向振荡气泡,气泡间距和半径远小于声波长,气泡半径比气泡间距小得多,且在振荡过程中气泡能够始终保持球形.对于气泡的径向振动,采用忽略气泡平动对径向运动影响后的Doinikov模型方程[3],不计二阶以上小量后有式中r1和r2分别表示以气泡1、2中心为坐标原点的球坐标系的径向坐标.液体中的总声场是外部驱动声场以及两气泡辐射声场的叠加.由(8)和(9)式可得到两气泡受到与彼此声辐射相关作用力为F1方向由气泡2指向气泡1,F2方向与 F1相反.从(14)和(15)式看出,由于气泡间的相互作用影响彼此的径向运动,从而影响气泡在彼此辐射声场中受到的力.F1和 F2是作用在气泡1和2上的能够影响其中心位置变化的力,方向沿彼此连心线,从表达式可以看出,其具有 D-2以上的量级.数值分析主要针对毫米量级的气泡,所取介质为水,设其ρ=998 kg/m3,c0=1 484 m/s,σ=0.072 5 N/m,p0=1 atm,γ=1.4,驱动声波频率为20 k Hz.图1给出了不同间距的相同气泡间的作用力随时间的变化关系,由于两气泡初始半径相同,均为R10=5×10-4 m,它们在运动变化过程中受到的彼此间的相互作用力也相同,因此只用了一条曲线代表.随着气泡间距离的增大,相互作用力越来越小;由于受到驱动声波周期性的影响,相互作用力也具有一定的周期性特征,表现为在声波的正压相互相吸引.从多个周期的平均作用看,若不考虑其他因素影响,两声波驱动下的初始半径相同的气泡有相互靠近的趋势.由于气泡间的相互作用力还与气泡的体积变化相关,而气泡的初始半径不同,气泡的振动形式也会不同,气泡在运动过程中的体积变化也不同,因此其受对方影响的程度也不相同.图2给出了气泡2和气泡1初始半径之比分别为0.5和3.0时的相互作用力及气泡半径相对值随时间的变化关系,其中,R10=5×10-4 m,D=6R10.由图可见,初始半径较大的气泡振动半径幅度相对较小,但受到的作用力幅值相对较大,因此,在声场中,小气泡受到邻近气泡声辐射引起的平动状态改变影响相对较小.空化气泡在崩溃时产生持续时间在纳秒量级的脉冲声辐射,同样影响相邻大气泡的中心位置移动.最高帧速可达2.5×105帧/s的APX-RS高速摄影机 (日本Photron公司)连接尼康微距镜头,光源为GK6型智能化金卤灯,88-1型超声乳化强化处理机(中国科学院声学研究所),换能器频率约为18 k Hz(用4924阻抗分析仪测得的空载频率),辐射头直径20 mm,所配超声波发生器输出电功率为0～250 W可调,自来水盛放于容积为500 m L的烧杯中,换能器辐射头浸入液面以下,液面高度约为150 mm.换能器工作过程中液体内声波为连续波.高速摄影机拍摄速度为2.0×104帧/s,快门速度为帧速的倒数,每帧像素为512×344.换能器辐射面在液体内高频振荡可导致大量的气泡在其附近生成并激起较强的空化效应.气泡在液体内的分布受到声压分布的调节,同时与气泡之间的相互作用密切相关.在特定的声压环境下,液体内可分离出振荡的局部泡群(图3中圈内白色区域即为局部泡群).由于换能器辐射声波具有较强的指向性,当泡群运动到以换能器辐射面为底的柱状区域以外后,它受到的声辐射力将减弱,其在浮力的作用下缓慢上升.随着泡群的上升,它外部的声压环境也不断变化,可以观察到不断有单个气泡从泡群表面内陷处逸出(即气泡从泡群中分离出来),在其运动路径上排列成“尾巴”状.泡群稳定性受到外部声压、浮力、重力以及泡群内气泡之间的相互作用力的共同影响.从图3可以推断,此时泡群处于非稳定状态,泡群表面凹陷处附近的气泡间的作用力主要表现为排斥力,从而有气泡不断从泡群内逸出.为更好了解气泡间的相互作用,图4给出了用高速摄影机连续拍摄的一组时序照片的截图.从图中可以观察泡群在振荡过程中的形态变化,同时可以观察气泡间的相互作用.由于声压变化的影响,泡群在运动过程中的形状呈不规则变化,与泡群内外的压力平衡状态以及局部气泡间的相互作用相关,在声压的梯度变化方向,还观察到不规则的表面凸起.从时序变化结果可以看出,两气泡相互吸引最终聚合为一个气泡,与数值计算结果给出的结论一致.相对于尺寸几乎相同的大气泡之间的相互作用而言,小气泡对大气泡的作用相对弱一些,因此随着时间的推移,图4圈内两气泡相互靠近,但上面的气泡与其附近的小气泡间的距离越来越大.距离较远的气泡相互影响较小. 对气泡间的相互作用力进行了研究,得到了考虑气泡振荡引起的声辐射后受到的相互作用力.结果表明:尺寸相同的气泡之间相互吸引,而尺寸不同的气泡之间的相互作用力的相位随时间变化,因此吸引和排斥状态交替出现.通过高速摄影系统观察换能器在自来水中声辐射时形成的气泡场的变化可以看出,局部振荡泡群的稳定状态受到声压、浮力、重力和泡群内气泡间的相互作用力的影响,当泡群运动到声压相对较弱的区域时,将不断有单个气泡从泡群表面凹陷处逸出,表明该位置附近气泡之间主要表现为相互排斥.同时在实验中观察到了尺寸几乎相同的气泡间的相互吸引现象.【相关文献】[1]Yang X M,Roy R A,Holt R G.Bubble dynamics and size distributions during focused ultrasound insonation[J].Acoustical Society of America,2004,116(6):3423-3431.[2]Akhatov I,Parlitz U,Lauterborn W.Towards a theo ry of self-o rganization phenomena in bubble-liquid mixtures[J].Physical Review:E,1996,54(5):4990-5003.[3]Doinikov A A,Zavtrak S T.On the“bubble grapes”induced by a soundfield[J],Acoustical Society of America,1996,99(6):3849-3850.[4]王成会.超声声场中气泡的锥状聚集现象[J].陕西师范大学学报:自然科学版,2007,35(4):45-48.[5]Alexander A D.Translationalmotion of two interacting bubbles in a strong acoustic field[J].Physical Review:E,2001,64:1-6.[6]Yurii A,Ilinskii,Mark F,et al.Bubble interaction dynamics in Lagrangian and Hamiltonian mechanics[J].Acoustical Society of America,2007,121(2):786-795.[7]Mark F,Hamilton,Yurii A.et al.Interaction of bubbles in a cluster near a rigidsurface[J].Acoustics Research Letters Online,2005,6(3):207-213.[8]Yurii A,Ilinskii E A,Zabolotskaya.Cooperative radiation and scattering if acoustic waves by gas bubbles in liquids[J].Acoustical Society of America,1992,92(5):2837-2841.[9]王成会,林书玉.超声波作用下气泡的非线性振动[J].力学学报,2010,42(6):1050-1059.[10]Wang Chenghui,Lin Shuyu.The nonlinear standing wave inside the space ofliquid[J].Science China:Physics,mechanics Astronomy,2010,53(3):496-503.[11]张鹏利,林书玉.声场作用下两空化泡相互作用的研究[J].物理学报,2009,58(11):7797-7801.[12]何国庚,罗军,黄素逸.空泡溃灭的Bjerknes效应[J].水动力学研究进展,2000,15(3):337-341.[13]Law rence A C.Bjerknes forces on bubbles in a stationary sound field [J]. Acoustical Society of America,1975,57(6):1363-1370.。
声波在含气泡液体中传播特性及产热效应
声波在含气泡液体中传播特性及产热效应
袁月;苗博雅;安宇
【期刊名称】《应用声学》
【年(卷),期】2018(37)5
【摘要】该文对含气泡液体中的声波方程采用线性分析方法,研究了超声波在含气泡液体中的传播特性以及产热效应.当声波在含气泡液体中传播时,气泡的存在会影响声波的传播,在声波频率接近气泡共振频率的频段内,声信号在液体中传播时剧烈衰减,而在声波频率远远高于或低于气泡共振频率时,声波的传播基本不受影响.在接近气泡共振的频段内,声波耗散的能量最终转化为热能.同时液体中的气泡会在声波驱动下径向振动并辐射声波,伴随气泡壁在液体中的粘滞振动,热量随之产生.结果表明,两种产热机制分别在不同频段起主导作用.
【总页数】5页(P717-721)
【作者】袁月;苗博雅;安宇
【作者单位】清华大学北京 100084;中国船舶工业系统工程研究院北京 100036;清华大学北京 100084
【正文语种】中文
【中图分类】O424
【相关文献】
1.液体表面张力系数、声波在液体中传播速度与液体浓度关系的研究 [J], 李志坤;高本领;张俊
2.含气泡液体中声传播的解析解及其强非线性声特性 [J], 赵晓亮;朱哲民;周林;杜功焕
3.含混合气泡液体中声波共振传播的抑制效应 [J], 陈时;张迪;王成会;张引红
4.基于含气泡液体声波方程的海底冷泉数值模拟 [J], 张闪闪;谷丙洛;任志明;段沛然;李振春
5.含气泡液体中声场能量的传播 [J], 王勇
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基于改进的Keller-Miksis模型的超声空化气泡动力学研究
基于改进的Keller-Miksis模型的超声空化气泡动力学研究贾蕙竹;丁婷【期刊名称】《中国医疗设备》【年(卷),期】2022(37)11【摘要】目的超声空化是诸多超声治疗的关键作用机制,为提高以空化效应为作用机制的超声治疗效率,需探究空化气泡在不同参数下的动力学特性。
方法在Keller-Miksis模型的基础上,考虑传热模式对空化气泡振动特性的影响以及气体不可无限压缩的事实,建立了一个改进的液体中单个超声空化气泡仿真模型,并分析了不同传热模式、空化气泡参数、液体参数和声场参数下的超声空化气泡动力学过程。
结果在等温、等温-绝热、绝热3种不同传热模式下,超声空化气泡动力学过程基本一致;当空化气泡初始半径小于共振半径时,可以增强超声空化效应;随着液体表面张力、液体黏滞系数、液体饱和蒸汽压的增大,超声空化效应减弱;空化气泡的最大瞬态振动半径一方面随着激励频率的增大而明显减小,另一方面随着声压幅值的增大而明显增大。
结论本文基于Keller-Miksis模型构建了一个更接近实际情况的单泡动力学仿真模型,并讨论了不同参数下的超声空化气泡动力学行为。
这为超声空化瞬态物理研究以及有选择性地增强或抑制空化效应从而实现精准高效的超声治疗提供了有效参考。
【总页数】6页(P28-33)【作者】贾蕙竹;丁婷【作者单位】中北大学信息与通信工程学院生物医学成像与影像大数据山西省重点实验室【正文语种】中文【中图分类】R616;O426.4【相关文献】1.基于功率超声珩磨的空化泡动力学模型的研究2.超声空化气泡动力学仿真及其影响因素分析3.基于MATLAB的超声空化气泡动态仿真4.超声反应器中运动空化气泡的动力学研究5.声场中双空化气泡之间的相互作用及气泡动力学研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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4 2 参数对空化泡运动的影响
4 2 1 频率的影响 选择 R0 = 1 5 %m 的气泡, 在 Pa = 1 9 ! 105 Pa,
∀= 1 ! 10- 3 Pa s 时仅改变激励信号的频率 f a , 研究 其变化对空化泡运动的影响. 随激励频率的增加, 气 泡的最大振动半径减小. 激励频率较低时, 空化泡收 缩有力, 产生较高频率的振荡, 但振荡过程衰减得很 快. 激励频率较高时, 空化泡收缩力度较小, 产生的 振荡也较缓慢, 但振荡持续的过程较长, 衰减很慢.
图 4 不同频率激励的气泡运动波形 R0 = 1 5 %m, P a= 1 9 ! 105 Pa. ( a) f a= 50 kHz, ( b) f a= 1200 kHz
高到 2 0 ! 105 Pa, 气泡振荡程度加剧, 泡壁瞬时运 动速度 V 提高很多, 冲击效应表现得更明显. 随着 激励声压由 1 9 ! 105 Pa 降低到 1 8 ! 105 Pa, 气泡振 荡程度减弱, 冲击现象也明显减弱. 这些都表明每个 空化泡运动过程中均存在一个相应的驱动声压.
-
4
∀
R R
-
Pa sin
at,
( 1)
式中, R0 为气泡初始半径, R 为气泡运动半径, 为
气泡外液体的密度( 常温下 = 1 ! 103 kg m3) , 为
气泡 外液 体 的 表 面 张力 ( 常温 下 = 7 2 ! 10- 2
N m- 1 ) , P0 为气泡外大 气压( 常温下 P 0 = 1 01 ! 105 Pa) , P v 为水蒸气压( 常温下 P v= 2 33 ! 103 Pa) ,
传统细胞组织病理切片的制取中, 脱水、透明、 浸蜡等步骤需要经过长达 30 h 才能完成. 如果刻意 加快脱水、透明、浸蜡等步骤的速度, 会导致细胞收 缩变形, 影响细胞结构的原始形态, 或者会导致组织 块进蜡不完全, 切片变脆易碎. 所以, 常规石蜡切片 法给临床外检快速病理诊断带来很大的困难. 我们 在研究中利用超声作用于细胞组织, 通过提高细胞 膜通透性, 在不破坏细胞原形状结构的前提下, 在较 短时间内制取出高质量的病理切片, 实现临床外检 快速病理诊断, 具有很高的应用价值.
( 南京大学声学研究所, 南京 210093) ( 2006 年 3 月 6 日收到; 2006 年 8 月 9 日收到修改稿)
在超声快速制取组织细胞病理切片的过程中, 发现激励信 号对切片 制取效 果有明 显的影 响. 为 了掌握 超声激 励信号对组织 细胞的影响规律, 达到快 速制取病 理切 片的 最佳状 态, 从气 泡空化 模型 入手, 通过 改变 激励信 号频 率、声压、气泡初始半径和液体黏滞系数等参量, 研究了声 孔效应中气泡动力学激励机制. 数值计 算表明: 空化泡振 动随 激励声压增强而升高, 随液体黏滞系数增强而减弱; 一定频率范围内空化泡振动能 保持在膨 胀、收缩 和振荡的 稳定 空化状态, 存在空化泡稳态振动的最佳激励频率; 一定初始半径能保证空化泡产生 稳定的振 动, 存在 空化泡稳 态振动幅度最大的初始半径. 实际操作中, 在频率、声压、初始半径和黏滞系数综合作用 的若干空 化阈内, 声孔效应 使超声快速法制取细胞组织切片获得最佳效果.
学报
55 卷
内外物质通过细胞膜表面孔状结构的速度. 因此, 实 验通过提高组织脱水 速度达到快速制取切片 的目 的. 这也说明了气泡振荡的剧烈程度与声孔效应的 效果相关.
图 3 气泡半径与泡壁运动速度的变化情况 R0 = 1 5 %m, f a= 200 kHz, Pa= 1 9 ! 105 Pa
图 2 不同初 始半 径空 化泡 可以 产 生非 稳态 空 化过 程 f a = 1000 kHz, P a= 1 9 ! 105 Pa. ( a) 气泡瞬态空化波形, R0 = 9 5 %m; ( b) 气泡振动既非稳态空化也非瞬态空化, R0 = 0 5 %m
关键词: 声孔效应, 超声空化, 气泡振动, 稳态空化域 PACC: 4325, 4335, 4360
1引 言
生物组织和组织液中包含许多微小气泡[ 1] , 微 泡被超声波作用时能产生膨胀、收缩、振荡、崩溃等 空化过程[ 2, 3] , 导致细胞膜表面产生孔状结构, 停止 超声波作用后细胞膜的结构又恢复常态, 孔状结构 消失, 称此现象为声孔效应[ 4] .
4 1 3 气泡振荡产生冲击效应 图 3 显示了 R 0= 1 5 %m 的气泡, 在f a= 200 kHz,
P a= 1 9 ! 105 Pa 的超声激励信号作用时气泡壁运动 速度 V 的变化情况. 气泡收缩阶段随着振荡半径的 减小, 泡壁的运动速度增大, 当气泡振荡半径趋向于 零时, 泡壁运动速度极大, 气泡内的能量被压缩到一 个极小的空间体积内, 气泡外围的压强快速增加形 成高压区. 当气泡从最小半径处反弹时, 外围的高压 区减弱, 同时压强逐渐向周围的液体中传播, 形成对 外的冲击波[ 10] . 冲击效应提高了声孔效应中细胞膜
我们利用声孔效应在不破坏细胞形状结构的前 提下, 成功地提高了细胞膜的通透性, 快速制取了细 胞组织病理切片[ 9] . 为了澄清实验结果, 我们初步研 究了声孔效应作用于细胞组织的动力学机制, 从细 胞组织内外微气泡的空化入手, 建立了微气泡的振 动模型, 详细分析了超声频率、声压、微泡初始半径 和黏滞系数等空化动力参量对微气泡振动的影响.
激励频率很低时, 空化泡振荡过程消失, 空化泡 不再产生径向振动, 如图 4( a) 所示. 随 着激励频率 进一步提高, 空化泡膨胀、收缩和振荡的周期性变化 逐渐消退, 振荡趋向无规律, 如图 4( b) 所示. 这说明 使空化泡产生径向振荡运动的激励频率是一个工作 频带, 最佳激励频率应该处在这个工作频带中的某 些部分, 如 100 ∀ 1000 kHz 频 率带内, 计 算得到 200 和 800 kHz 两个最佳的激励频率. 在激 励信号工作 频带内, 空化泡振动过程中泡壁会产生较高的运动 速度. 在这个工作频带内偏离最佳激励频率后, 泡壁 的最大运动速度下降, 气泡振荡剧烈程度降低. 4 2 2 声压的影响
P a 为超声激励声压, f a = a 2#为超声频率( 声压和
频率均可改变) , ∀ 为液体的黏滞系数( 常温下 ∀= 1 ! 10- 3 Pa s) , != ∃A ( 在本模型中 R0 < 100 %m 的
前提下, A = 1) , ∃为等压比热容与等容比热容的比
值( 在本模型中 R 0< 100 %m 的前提下, ∃= 1 0) . 采
2实 验
实验过程中超声激励信号的声功 率控制在 10 W cm2 以下, 选用 200, 400, 600, 800 和 1000 kHz 5 个 工作频率对同块肝组织的取样标本分别进行超声作 用制取切片. 5 个实验频率经过反复成功制取切片 后, 各步骤所需的平均最少时间的差异如表 1 所列. 比较表内数据发现: 超声工作频率不同导致病理切 片制取的时间不同, 说明声孔效应的效果不同; 作用 于组织块的超声频率并非越高越好, 随实验中所选 频率的降低, 作用效果有时加强, 有时减弱, 总体呈 现出一些加快病理切片制取速度的频率带, 最佳为
选择 R0= 1 5 %m 的气泡, 在 f a= 200 kHz, ∀= 1 ! 10- 3 Pa s 时仅改变激励信号的声压 P a, 研究激励 信号压强的变化对空化泡运动的影响, 结果如图 5 所示. 由图 5 可见, 随着激励声压由 1 9 ! 105 Pa 提
12 期
陈 谦等 : 超声波声孔效应中气泡动力学的研究
* 国家杰出青年科学基金( 批准号: 10125417) 资助的课题. 通讯联系人. E mail: jccheng@ nju. edu. cn
12 期
陈 谦等 : 超声波声孔效应中气泡动力学的研究
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200, 800 kHz 左右的频带.
表 1 不同超声频率下制取切片各步骤的最少使用时间 频率 kHz 固定 min 脱水 min 透明 min 浸蜡 min 总时间 min
4 1 2 气泡非稳态运动 调整超声激励信号的频率、声压或选择不同初
始半径的气泡, 空化泡可以产生瞬态空化过程. 如图
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物理
2( a) 所示, R0 = 9 5 %m的气泡加 f a = 1000 kHz, P a= 1 9 ! 105 Pa 的激励信号作用, 气泡产生很短暂的膨 胀、收缩、微振荡过程, 到最终无法承受外界负压时 出现崩溃. 有些气泡在加激励后表现出瞬时压缩、振 荡和小 于 初 始半 径 的 稳 定 径向 脉 动, 例 如 R 0 = 0 5 %m的气泡外加 f a = 1000 kHz, Pa = 1 9 ! 105 Pa 的激励信号, 表现的运动过程如图 2( b) 所示, 此运 动既不属于稳态空化也不属于瞬态空化.
4 1 空化气泡的运动过程特征
4 1 1 气泡稳态运动 选 择 R0 = 1 5 %m 的 气 泡, 用 参 数 为 f a =
200 kHz, P a= 1 9 ! 105 Pa 的超声激励信号作用, 由 图 1( a) 可见此气泡在一个周期内的运动呈现膨胀、 收缩和振荡三个阶段. 整个过程从声场的负压相开 始, 膨胀过程约占整个周 期的 53% , 而 收缩过程非 常迅速, 占整个周期的 12% , 其余部分为振荡过程. 保持超声激励参数不变, 延长激励时间就能使空化 泡继续进入下一个周期的运动, 产生连续膨胀、收缩 和振荡的稳态空化过程, 如图 1( b) 所示.
第 55 卷 第 12 期 2006 年 12 月 1000 3290 2006 55( 12) 6476 06
物理学报
ACTA PHYSICA SINICA
Vol. 55, No. 12, December, 2006 2006 Chin. Phys. Soc.
超声波声孔效应中气泡动力学的研究*