超声空化场热释放现象的实验研究

　　0 引言

　　超声空化场是液体中大量空化泡不断生长、振动、运动、塌陷、破裂和衍生等动力学行为所波及的空间。虽然传统的超声清洗和现今声化学技术无一不是利用超声空化场的作用机制,但对功率超声声场中这种多泡空化动力学的认识,却远不及对单泡空化运动规律那么了解[1,2].近十几年来,很多声学家把兴趣投入到单一超声空化泡的声致发光等能量转换的机制上,而对如何更有效地释放出超声空化场中大量空化泡的群体能量似乎给遗忘了[3].本文从观察超声空化场的热释放现象开始,着重研究了超声喷泉空化场及聚束喷射时的热释放和温度变化。

　　1 超声空化场的热释放现象

　　图1(a)、(b)表示了这种实验装置。所不同的是:图1(a)表示超声是水平方向辐射的,图1(b)表示超声是竖直向上辐射的。图中容器由玻璃或塑料制成,内盛除气水。所用超声换能器由汕头市先宁电子有限公司生产的压电陶瓷片(SL-20B,1.65H-S)及防漏固定座组成,超声激发频率为1.65MHz.试验板由低导热系数高分子材料ABS压制而成,厚2.5mm.换能器由超声电源启动后,液体水中便形成了由左向右图1(a)或由下向上图1(b)辐射的超声空化场,即空化着的水。在本实验条件下,沿空化场中轴线上的试验区间内的声强约3W/cm².实验时将试验板按垂直声波辐射方向插入空化着的水中,即刻可见水中板面上形成熔化点,并逐渐变大,这就是超声空化场的热释放现象。图1(c)的照片显示了同一试验板在离超声辐射端面约30~90mm区间内,沿中轴线移动时每辐射15s形成一个熔化点的多次试验结果。在这种情况下,熔化点的大小无明显区别。

　　2 超声喷泉空化场的热释放

　　实验装置如图2(a)所示。与图1(b)不同的是容器的口径较大,液面高度较低。实验时改变水量,使在水表面形成隆起的超声喷泉,在此可称之为超声喷泉空化场。以无超声作用时的静态水表面高度为水平参考线,将试验板先后置于水表面之下,水表面处和水表面之上的空化场中,分别经超声辐射15s,10s和5s,便可形成大小不等的熔化点。图2(b)照片显示了同一块试验板在上述3种不同高度时各辐射4次的结果。显然,这种空化场的热释放快于图1所示的超声空化场,而且在其隆出水表面的超声喷泉顶部具有较快、较强的热释放。

　　3 聚束超声喷泉空化场的热释放

　　如图3(a)所示。采用圆锥形套管(虚线)和圆柱形套管(实线)对超声喷泉空化场上半部进行聚束喷射,可形成所谓的半程聚束超声喷泉空化场。将试验板置于这种空化场的顶部,比较两种不同聚束套管和不用聚束套管时的熔化情况,得到了图3(b)照片的结果。照片中从上到下、由小到大3个不等的熔化点分别表示不用聚束套管,以及用圆柱形和圆锥形聚束套管时的结果。这表明,采用圆锥形套管对超声喷泉进行半程聚束喷射时,热释放的效果较好。左右两块试验板上的熔化点大小不一样是由于对左边试验板的超声喷射时间较长的缘故。