基于气泡统一方程的声场双气泡耦合作用研究

针对声致空化现象中双气泡相互作用力展开了研究。本文基于气泡动力学的基本理论,将气泡统一方程应用到声场中双气泡的耦合作用研究中,建立了可用于计算声场中多气泡耦合的理论模型,并以此研究了不同类型的声场中双气泡次Bjerknes力的变化趋势。研究结果表明:在声压幅值较小的行进波声场中,对于非线性脉动的双气泡,其相互作用现象不仅与声场参数相关,还会受到双气泡初始体积比的影响。若固定其中一个气泡的初始体积,同时改变另一个气泡的初始体积,则双气泡间第1周期内的次Bjerknes力会在初始体积相等时达到第1个极值,随后呈现周期性的起伏,并在总体上呈增大趋势;而双气泡相互作用在声压幅值较大的行进波声场中会随初始半径比的增大持续增强,且周期性的起伏现象并不明显。在驻波声场中靠近波节的位置也能观测到这一现象。此外,本文还探究了非线性振动的双气泡在具有相同频率、不同声压幅值的组合波声场中的耦合效应。本文的研究可为声场中双气泡相互耦合作用以及气泡群动力学相关应用提供理论基础。

基于PVDF梳状换能器的零群速度Lamb波层合板损伤检测的数值研究

为提高层合板损伤检测的准确性与灵敏度,基于聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)梳状换能器激发的零群速度(zero group velocity,ZGV)Lamb波,提出了一种层合板损伤的检测方法。采用二维时域有限元方法,研究了PVDF梳状换能器对零群速度Lamb波的激励,通过改变层合板中铝层杨氏模量来表征不同的损伤程度,分析了PVDF梳状换能器电压响应特性与层合板损伤程度之间的关系。结果表明:采用PVDF梳状换能器能够有效激励零群速度Lamb波,并获得层合板内部的状态信息。随着损伤程度的增加,PVDF梳状换能器响应的零群速度共振峰频域幅值随着铝层杨氏模量的减小而显著减少,进而灵敏地评价层合板损伤变化。研究结果说明优化设计的PVDF梳状换能器在零群速度Lamb波的激发与接收性能上都具有优越性,能够有效检测层合板损伤情况。

用于ZGV Lamb波检测的PVDF梳状换能器及性能研究

能够准确激励与响应零群速度(ZGV)Lamb波的换能器是ZGV Lamb波检测应用的重要支撑。现有用于ZGV Lamb波检测的换能器存在信号弱、信噪比低等问题,为此,本文设计了一种柔性好、灵敏度高的聚偏二氟乙烯(PVDF)梳状换能器,并研究了换能器对ZGV Lamb波的激发响应性能。首先,分析了梳状换能器的工作特性,根据薄铝板的ZGV模式设计制作了PVDF梳状换能器;其次,在不同中心频率的脉冲信号下通过PVDF梳状换能器激发ZGV Lamb波,并与PVDF方形电极换能器做了性能对比实验;最后,分析了PVDF梳状换能器电压响应特性与附着层厚度之间的关系。实验结果表明,设计制作的PVDF梳状换能器能够精准的激励与响应ZGV Lamb波,其响应信号的ZGV频域幅值相对大小随着附着层厚度的增加显著减小。

零群速度特征导波在焊缝损伤评估中的应用

通过数值模拟方法研究了零群速度特征导波(zero-group-velocity feature guided waves,ZGV-FGWs)在焊缝损伤检测中的应用。建立了焊缝结构的二维频域有限元模型,损伤程度用不同的杨氏模量表征,验证了焊缝结构中的共振现象并确定了能量集中在焊缝特征区附近时的共振频率。利用三维时域有限元方法确定了ZGV-FGWs共振模式的存在,并分析了不同杨氏模量焊缝的ZGV-FGWs传播特性。结果表明:随着材料杨氏模量的减小,ZGV-FGWs频谱信号幅值显著单调减小,且ZGV-FGWs频谱信号幅值的变化趋势与激励信号的频谱曲线吻合。基于此特性可以设置合适的激励信号,获得幅值变化更强的ZGV-FGWs频谱信号,进而准确评价焊缝的损伤状态。

声塑性机制及其在塑性加工中的应用

超声振动作为一种能量输入被广泛应用于各类塑性成形工艺中,目前研究普遍认为,超声振动叠加在金属塑性变形上可显著降低成形载荷,称之为声塑性,主要作用机制包括体积效应和表面效应。分别对目前已有的考虑体积效应和表面效应的理论模型的研究进展进行了综述,在此基础上,从超声辅助工艺原理、利用声塑性机制的侧重点以及超声辅助塑性成形装置的改进3个方面介绍了搅拌摩擦焊、滚压、旋压以及微成形等领域采用超声振动辅助塑性成形工艺的发展现状,并提出了未来主要的研究思路。

功率超声加工中空泡溃灭的冲击波特性分析

研究空化冲击波效应对于功率超声加工具有重要意义。为揭示功率超声加工参数与冲击波压强之间的关系,考虑声压在空泡压缩过程中的作用,建立冲击波压强模型。通过试验与数值方法,对超声声压在功率超声加工中的作用以及功率超声加工参数对冲击波压强的影响进行分析。在此基础上,对空泡在被加工固体表面附近球形溃灭产生的冲击波进行分析,结果表明:超声声压通过改变空泡的运动来影响冲击波压强的大小;冲击波压强最大值随着声压幅值的增加而增加,随着超声频率、润滑液表面张力系数的增加而减小;冲击波经过衰减后,作用于固体表面的压强仍然可以达到吉帕级以上。

液浸多层薄膜-基底结构中Scholte界面波特性研究

多层薄膜-基底结构在工业领域有广泛应用,其中薄膜的厚度与弹性参数等特性对结构与器件性能有显著影响。但对多层薄膜材料参数进行无损定征较为困难。考虑界面波对界面附近材料特性敏感的特点,以及分层薄膜导致液固界面Scholte波频散与分层材料速度分布密切相关等因素,文章首先利用全局矩阵理论分析了分层结构中的声传播,并给出界面上脉冲激励的声压表达式,据此对水浸双层薄膜-基底三层结构材料声速呈正梯度、负梯度、随机分布三种结构中液固界面Scholte波的频散曲线进行数值计算。进一步详细计算了法向脉冲线源激发的界面波瞬态信号随薄膜厚度的变化。结果显示,三种结构中两层薄膜厚度均对液-固界面波频散特性有显著影响,同时不同膜厚对不同频段的Scholte波的“捕获”作用(频率选择性)十分明显。该结果为进一步利用Scholte波频散特性进行多层薄膜厚度定征提供了理论依据。

超声微泡介导肝细胞生长因子促进大鼠梗死心肌血管新生

目的探讨超声靶向破坏微泡介导肝细胞生长因子(HGF)促进大鼠梗死心肌血管新生的可行性。方法将40只Wistar大鼠制备成心肌梗死模型后随机分为4组:(1)HGF+超声+微泡组(HGF+US/MB);(2)HGF+超声组(HGF+US);(3)HGF+微泡组(HGF+MB);(4)单纯手术组(SA)。于基因转染后14d处死各组大鼠,采用免疫组织化学法(IHC)检测缺血心肌周围CD34表达,并在显微镜下计数心肌内新生微血管密度(MVD)。采用酶联免疫吸附法(ELISA)检测心肌组织内HGF蛋白表达情况,并对心肌内HGF含量与MVD进行相关性分析。结果IHC结果显示,CD34定位于血管内皮细胞胞膜和胞浆,显示为棕黄色或棕褐色颗粒,新生的微血管被染成棕黄色,显微镜下计数每高倍镜视野下的MVD,结果表明在HGF+US/MB组心肌中MVD最高,为(266.9±39.8)个/高倍镜视野,与其他各组比较差异均有显著性(P<0.01)。ELISA结果显示HGF在HGF+US/MB组心肌中表达最高,为(5.54±0.81)ng/g,且前壁表达高于后壁(P<0.05),与其他各组心肌HGF含量相比差异也均有显著性(P<0.01)。相关分析表明,心肌HGF含量与MVD呈明显正相关。结论超声靶向破坏微泡可介导HGF基因在缺血心肌内的高效转移并促进血管新生,为心肌梗死的基因治疗提供了一个新途径。

声诺维(Sono Vue)增强超声辐照对HepG2细胞膜通透性的影响

目的 探讨超声辐照对人肝癌细胞株HepG2 细胞通透性的影响以及声学造影剂声诺维(SonoVue)的增强作用。方法 用连续多普勒超声辐照人肝癌细胞株HepG2,超声发射频率1.9 MHz,软组织热指数(TIS)为0.8,增益设定为80%,输出声强(ⅠSATA)为80.0 mW/cm2,辐照时间均持续60 s。照射时添加或不添加超声造影剂声诺维(SonoVue)。用流式细胞仪检测细胞荧光染色阳性的阳性率。结果 荧光染色阳性细胞的百分率:无超声辐照组或单纯添加SonoVue组分别为(3.06±1.57)%和(1.4±0.04)%,经超声辐照后为(23.72±14.4)%,添加SonoVue辐照后显著增加至(54.78±43.6)%(均P<0.05)。结论 超声辐照能改变HepG2细胞膜通透性,添加超声造影剂后能显著增强这种作用,有希望成为肿瘤分子生物学治疗的介导手段。

航空制件超声检测中的声场特性分析

针对航空制件超声检测中影响缺陷定量准确性的声场问题进行了深入讨论 ,研究了脉冲波声场的计算方法 ,设计了相应的计算软件并绘制出实用换能器声轴线上的声压分布曲线 ,分析了不同材料和厚度的采样回波对频谱的影响 ,比较了连续波声场和脉冲波声场的分布特性及异同点。

用三种方法研究双频超声空化增强效应

分别使用TA荧光法、碘释放法和电学法对 2 8kHz分别与 1.0 4MHz和 1.7MHz组成的双频超声辐照系统的空化增强效应进行了研究 .结果表明 ,双频超声辐照能明显增强空化效应 ,其声空化产额均显著大于各频率单独辐照方式的声空化产额之代数和 .对双束超声空化增强效应的机理从 3个方面进行了分析 :( 1)双频辐射增强样品的机械振动 ,有助于更多的空气经液体表面进入液体而导致空化核增加 ;( 2 )在双频超声作用下 ,各自产生空化过程 ,当各自空化内爆时 ,会产生许多新的空化核 ,这些空化核为另一频率的空化提供了更多与其共振频率接近的空化核 ;( 3)由于气泡在低频负压相内准静压力减小 ,从而降低了空化的阀值 .而在低频的正压相内 ,气泡的内爆强度增加 ,因而提高了其声空化产额 .

高强度聚焦超声场中空化泡群的结构及其形成过程

空化是高强度聚焦超声(HIFU)引起组织损伤的作用机制之一。本文使用高速摄影技术研究了HIFU场中空化泡群结构的空间分布特征、超声功率对空化泡群结构的影响、空化泡群结构的建立过程尤其是起始过程。空化泡群的结构以空化泡在声场中的区域化分布为特征．在一定功率范围内空化泡群的结构保持稳定。从建立过程来看,空化泡群首先出现在焦区,然后在焦后区(远离换能器的区域)形成,焦前区(靠近换能器的区域)空化泡群最后形成。在对空化泡群起始的研究中发现最初拍摄到的空化泡群形状与焦区形状接近,并且观察到空化泡在焦区发生聚集然后破裂的现象。

合成孔径聚焦声成像时域算法研究

本文介绍了宽带合成孔径聚焦声成像时域重建算法设计，及在486微机上的仿真计算结果；计算参数是按实际实验系统设计选取的。

超声空化对丙酮激光喇曼光谱的影响

本研究设计了一种可引入超声的喇曼光谱样品池．对丙酮的激光喇曼光谱的检测表明，超声空化降低了喇曼光谱的强度．我们认为，超声空化减少了激光光路上参与散射的丙酮分子数是光谱强度降低的主要原因。

超声空化影响因素的数值模拟研究

在超声空化理论基础上,应用Matlab语言,对影响超声空化的各种液体物理参数及声场参数等进行了数值模拟,分析了空化泡崩溃时间与崩溃时泡内最高温度和最大压力的关系.结果表明,空化泡初始半径越大,需要的阈值声压越小;较低的温度和较低的超声波频率能使空化泡产生变得容易;声压幅值较高的超声波能使空化泡运动加剧;空化泡崩溃所用时间随空化泡内蒸汽压增大而变长;空化泡发生崩溃瞬间泡内的最高温度随气体比热比的增加线性增大,崩溃时泡内最大压力随气体比热比增大而减小.这为超声空化效应的研究和实际应用提供了基础理论依据.

实验室中的声化学研究

综述了超声的空化效应及实验室中常用的声化学反应器 ,重点讨论了声化学最新的应用研究进展 ,其中包括声化学在纳米材料制备、污水处理和催化反应等方面的应用 .

超声空化气泡动力学仿真及其影响因素分析

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。

声化学微反应器——超声和微反应器协同强化

微反应器和声化学技术都是化工过程强化的重要手段,但都有优缺点。阐释了"声化学微反应器"的理念——微反应器和声化学技术相互集成,利用超声强化微通道内的混合、传质和预防堵塞等,同样借助微反应器实现声场和气泡场的有效调控并解决声空化过程的放大难题,实现协调强化的目的。同时,深入剖析了声化学微反应器内的声空化行为、声场和气泡场调控规律,以及多相流动体系中的混合与传质强化机制。最后展望了该领域的发展方向,并指出超声空化过程中表界面时空尺度现象和理论是实现并优化超声强化的基础。

超声清洗过程环境压力对声空化效应的影响

在不同深度条件下的水下构建物超声清洗中,声空化是重要的源动力之一。为探明水下环境压力对声空化的影响,本文基于数值计算的方法,通过对超声波作用下气泡动力学的研究,讨论了环境压力对空化泡溃灭时的气泡最大半径、释放能量以及溃灭功率等因素的影响。结果表明:空化泡最大半径与环境压力在一定范围内呈近似线性关系;随着环境压力增大,空化泡释放能量和溃灭功率均显著减小,且两者在变化趋势和变化幅度上几乎一致;当环境压力大于声压幅值时,空化泡的最大半径、内部压强、内部温度与释放能量均远低于空化发生在环境压力小于声压幅值时的情形。

换能器匹配层参数的选定

采用多层介质声透射模型,计算了超声换能器对水辐射时声能透射效率较高的匹配层匹配参数(特性阻抗和厚度).对计算结果与声能透射效果图进行分析表明,特性阻抗在压电陶瓷与工作介质之间时匹配层厚度最佳值为四分之一波长的整数倍,否则匹配层厚度取二分之一波长的整数倍.