基于球形谐振腔声场预测的声空化实验装置及方法

本发明涉及声空化气泡动力学，具体为一种基于球形谐振腔声场预测的声空化实验装置及方法。

背景技术：

1、超声波是一种机械波，当它在液体中传播时，液体内部各质点会交替地压缩与拉伸，液体内部压力发生涨落变化，出现低于静态压力的负压区域，液体里原有的微小气泡(即空化核，也称为液体内部的缺陷)在负压区域会成长为肉眼可见的、微米量级的气泡，这种现象称为声空化。声空化过程中形成的气泡叫做声空化泡。

2、近年来，随着高速相机的拍摄速率的提升，为气泡动力学的研究提供了必备的设备基础，但对于微米量级的单气泡动力学过程研究，很少见到有此方面报道，主要是在单个微气泡的控制和捕捉上存在难点，uemura等使用相机观察了空化气泡的动力学过程，通过将相机聚焦在不同的地方来观察气泡的变化，但这种实验具有一定的随机性和不可控制性，同时，声场参数(如幅值、频率、传波源特性等)反应器结构(如反应器形状等)等参数都会影响空化强度与分布。

3、目前，在声空泡动力学行为实验中，针对不同幅值、频率等声场参数条件下，存在声空泡的空化位置、空化强度等不能提前预知的问题。

技术实现思路

1、本发明为了解决上述提到的现有声空泡动力学行为实验中声空泡的空化位置、空化强度不能提前预知的问题，特此提出了一种基于球形谐振腔声场预测的声空化实验装置及方法。本发明通过仿真软件对不同幅值、频率方案下谐振腔发生谐振的位置(声空泡空化位置)和声空泡空化强度进行预测，根据预测结果进行声空泡动力学行为实验。

2、本发明提出了一种基于球形谐振腔声场预测的声空化实验方法，包括以下步骤：

3、步骤一、建立球形声谐振腔仿真模型；

4、步骤二、确定仿真工况；

5、步骤三、利用声场软件进行仿真；

6、步骤四、依据仿真结果确定声空泡空化位置和声空泡空化强度。

7、更进一步地，所述步骤二中的仿真工况包括以声场幅值和频率分别为控制变量的正交化工况。

8、一种上述的基于球形谐振腔声场预测的声空化实验方法的实验装置，包括计算机、信号放大器、若干超声换能器、注射泵、毛细管和球形声谐振腔，球形声谐振腔外表面均匀设置有若干超声换能器，若干超声换能器、信号放大器和计算机依次连接；注射泵上端设置有毛细管，毛细管从球形声谐振腔的底部伸入到球形声谐振腔内。

9、更进一步地，所述球形声谐振腔上设置有观察窗。

10、更进一步地，所述实验装置还包括高速摄像机，高速摄像机设置于球形声谐振腔一侧并正对观察窗。

11、更进一步地，所述球形声谐振腔周围布置有若干光源。

12、一种用于上述的实验装置的使用方法，包括以下步骤：

13、步骤一、在球形声谐振腔上设置若干超声换能器，将若干超声换能器、信号放大器和计算机依次连接；

14、步骤二、开启光源和高速摄像机；

15、步骤三、通过注射泵和毛细管向球形声谐振腔内部添加气泡；

16、步骤四、通过高速摄像机对超声作用下的声空化泡动力学过程进行观察。

17、本发明所述的一种基于球形谐振腔声场预测的声空化实验装置及方法的有益效果为：

18、(1)本发明所述的一种基于球形谐振腔声场预测的声空化实验装置及方法，采用球形声谐振腔为基础构建谐振声场，并利用软件仿真对不同幅值、频率方案下谐振腔内发生谐振的位置(声空泡空化位置)和声空泡空化强度进行仿真预测，从而指导开展声空泡动力学行为实验(布置气泡的位置和预期空化强度)；

19、(2)本发明所述的一种基于球形谐振腔声场预测的声空化实验装置及方法，通过在球形声谐振腔上设置观察窗，配合高速摄像机可实现对声空泡动力学行为的有效观测，避免了曲面玻璃折射光源的问题；

20、(3)本发明所述的一种基于球形谐振腔声场预测的声空化实验装置及方法，通过毛细管配合注射泵可实现对于产生的声空泡的位置和大小的调节，通过计算机实现对超声换能器产生的声场幅值、频率的控制。

技术特征：

1.一种基于球形谐振腔声场预测的声空化实验方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于球形谐振腔声场预测的声空化实验方法，其特征在于：所述步骤二中的仿真工况包括以声场幅值和频率分别为控制变量的正交化工况。

3.一种采用权利要求1或2所述的基于球形谐振腔声场预测的声空化实验方法的实验装置，其特征在于：包括计算机(1)、信号放大器(2)、若干超声换能器(3)、注射泵(4)、毛细管(5)和球形声谐振腔(8)，球形声谐振腔(8)外表面均匀设置有若干超声换能器(3)，若干超声换能器(3)、信号放大器(2)和计算机(1)依次连接；注射泵(4)上端设置有毛细管(5)，毛细管(5)从球形声谐振腔(8)的底部伸入到球形声谐振腔(8)内。

4.根据权利要求3所述的实验装置，其特征在于：所述球形声谐振腔(8)上设置有观察窗(9)。

5.根据权利要求4所述的实验装置，其特征在于：所述实验装置还包括高速摄像机(7)，高速摄像机(7)设置于球形声谐振腔(8)一侧并正对观察窗(9)。

6.根据权利要求5所述的实验装置，其特征在于：所述球形声谐振腔(8)周围布置有若干光源(6)。

7.一种用于权利要求6所述的实验装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：

技术总结本发明公开了一种基于球形谐振腔声场预测的声空化实验装置及方法，涉及声空化气泡动力学技术领域，解决了现有声空泡动力学行为实验中声空泡的空化位置、空化强度不能提前预知的问题。本发明包括计算机、信号放大器、若干超声换能器、注射泵、毛细管和球形声谐振腔，球形声谐振腔外表面均匀设置有若干超声换能器，若干超声换能器、信号放大器和计算机依次连接；注射泵上端设置有毛细管，毛细管从球形声谐振腔的底部伸入到球形声谐振腔内。本发明通过仿真软件对不同幅值、频率方案下谐振腔发生谐振的位置(声空泡空化位置)和声空泡空化强度进行预测，根据预测结果进行声空泡动力学行为实验。技术研发人员：刘逸飞,张阿漫,郑成,王诗平,詹立蕾受保护的技术使用者：青岛哈尔滨工程大学创新发展中心技术研发日：技术公布日：2024/11/4