强超声在空化液体中的反常衰减

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相比固体和气体,液体中的声传播存在一个独特的现象——声空化,即当声波强度足够大时,液体中会激发出大量的微米量级气泡(空化泡)。而这些激发出的空化泡反过来影响声波的传播过程。由于空化泡对声波的作用包括散射和吸收,会加剧声波的衰减和削弱声传播的能力,因此通常称为空化屏蔽作用。本文研究强超声在一维空化液体中声衰减现象。我们设计了一个由超声辐射、声压信号采集和空间定位三部分组成的实验系统。整个系统由一台计算机经GPIB和串行接口RS-232连接,实现全数字化程控。利用这套实验系统,我们测量了不同驱动声压下长水槽中的声压分布,比较了近场和远场声压与驱动声压的关系。结果发现,在近场处,驱动声压越高,空化泡对声波的衰减越强;驱动声压越低,空化泡对声波的衰减越弱。但高驱动对应的声场声压仍然高于低驱动对应的声压。而在远场,我们得到了出乎意外的结果,即高驱动下的声场声压反常地低于低驱动下的声压,称为反常衰减。我们依据较高驱动下的声场声压和较低驱动下的声场声压的相对大小将空化场大致划分为正常衰减区和反常衰减区。在正常衰减区,驱动声场越强,虽然空化越剧烈,形成更强的空化屏蔽作用,但较高驱动所激发的声场声压始终高于较低驱动激发的声场声压;而在反常衰减区,较高驱动激发里较弱的声场。由于远离超声辐射源,近场所产生的空化泡的屏蔽作用,使得不同驱动声压形成的远场声场非常接近,具有几乎相同的空化程度,因此,液体具有相同物理特性。但实验结果显示,较高驱动下的声场声压仍然更快地衰减以至于反常地低于较低驱动下的声压。为了理解反常衰减过程,我们同时采集不同位置的声波压力时域信号,然后进行FFT运算获得频谱数据,得到声波中不同频率分量的一维空间分布。结果表明,在近场处,驱动声场越强,空化效应越剧烈,更多的声波能量转移至高次谐波。而高次谐波在液体中比基波衰减更快,导致了发生在远场的反常衰减,即较高驱动的声压反而低于较低驱动时对应的声压。我们根据不同驱动时空化液体具有不同衰减因子,在COMSOL中分别进行计算,模拟出不同驱动下空化场的声压分布。
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