染色法测量超声空化场研究

　　随着超声学发展,超声技术已经广泛应用于军事、医疗、通信和卫生等行业,如功率超声清洗机械、医疗设备和进行医学治疗(HIFU)等[1, 2],尤其是利用功率超声的声化学技术近几年得到迅猛发展.直接影响高强超声治疗、超声清洗和声化学反应的关键因素是声致空化效应[3],声空化的强度及空化场分布成为上述超声应用中的重要问题.近几年对声空化的研究更注重于空化微观机制和测量的精确度[4, 5],而对于大、中型超声清洗槽和声化学反应器,宏观的声空化强度和空化场分布与清洗效率[6, 7]和化学反应速率的关系[8]是研究者最感兴趣的问题.因而要求确定一种方便易行、经济可靠和适宜于宏观评价的空化测量方法.染色法[9, 10]、碘释放法[3]、电化学法[3]、声致发光法[11]、水听器法[12]等诸多声空化测量技术中,染色法满足上述要求,能够方便、形象地评定超声液容仪器中的空化强度和分布.

　　1 实验仪器与目的

　　为避免清洗水槽中出现明显驻波,换能器黏结在水槽的侧壁上,远离换能器一侧加有厚度约10 cm的尖劈吸声块,利用水槽长度可在不同位置处设置不规则反射面来减少或消除驻波现象,实验设备见图1所示,换能器在侧壁的黏结位置如图2.水槽用不锈钢材料制作,钢板厚度及水槽尺寸见表1.

　　换能器激发频率为27.69kHz;多功能表和瓦特计同时监测频率和换能器电功率.用亚甲基蓝作染色剂，溶液浓度取为5mg/I,染色板采用铜版纸，染色时问为1min染色纸采用沿换能器轴向和垂直换能器轴向2种放置方法.实验中采用12种不同规格的白卡和铜版纸作染色板进行对比研究,使用高分辨率数码相机对染色结果进行拍照录入.

　　2 声空化测量

　　2.1 不同染色纸染色效果比较

　　实验中对不同厚度的国产白卡、荷兰白卡、国产铜版纸和韩国铜版纸12种规格的载体纸进行染色对比,以确定其中最适合染色法使用的纸张,将相同条件下的染色结果进行对比发现, 175g/m²国产铜版纸,200g/m²进口韩国铜版纸和250g/m²国产白卡的染色效果比其它9种染色纸染色效果好,其中, 200g/m²进口韩国铜版纸染色效果与175g/m²国产铜版纸相似,但因其质地更致密,染色点较少,适合电功率为70W~120W范围内使用,图3和图4是在换能器轴线上距离换能器1cm~22.3cm范围内2种染色纸染色效果比较.

　　图3和图4是在电功率为41W时在相同位置上测量到的空化场分布,图4中的空化染色点明显多于图3,对空化场的描绘更细致,导致这个现象的原因是因为国产白卡质地较疏,既有的气泡核更容易导致空化产生.然而对于实际测量来说,过多的染色点会干扰对空化强弱区域的判断,因而,该规格的国产白卡比较适合电功率小于40W的空化场测试.本文中所用电功率主要为41W,该条件下最适合用来染色的染色纸是175g/m²国产铜版纸,这种染色纸在电功40W~80W以内能有效染色.