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声致发光法测量超声空化场的实验研究 王巧霞 摘要：随着科学技术的发展，超声技术在众多领域得到广泛的应用，除功率 超声、水声、超声检测、医学超声等经典超声学科外，超声清洗、超声化学、超 声生物学等声学边缘学科也迅速发展，在这些领域内不断有新的成果出现。在这 些应用中，超声空化是引发各种物理、化学和生物效应的主要机理，从而空化现 象的理论和实验研究也成为人们关注的焦点。空化现象的产生受多种因素的影响， 而且产生空化效应后的声传播出现复杂的非线性现象，这为空化效应理论研究带 来许多不确定因素，从而使空化效应的理论研究进展缓慢，对空化效应的研究主 要存在于实验和应用的研究。 在超声空化场中，液体中的空化气泡，随着声场变化而膨胀和收缩，将声能 高度集中，会产生发光现象，称为声致发光。声致发光中气泡的运动将低能量密 度的声能转化成高能量密度的光能。为了研究这个巨大的能量聚集的复杂原理， 研究者对声致发光的气泡动力学及发光机理不断进行探索，使声致发光现象成为 非线性声学和物理学研究的一个热点。声致发光现象按照气泡的数目分为多泡声 致发光和单泡声致发光两种类型。在1 9 3 4 年，由德国科隆大学的h f r e n z d 和 h s c h u l t e s 研究声纳时偶然观察到，空化时除了气泡爆裂声，往往还伴随着肉眼可 见的发光，一般把它称为“多气泡声致发光现象”；在1 9 9 0 年，密西西比大学的 d e g a i t a n 做博士论文时将单气泡成功陷在盛有水的烧瓶中心并使其稳定持续地 发光数小时，也就是“单气泡声致发光现象”。 本文从理论和实验两个方面对声致发光进行研究，主要包括以下四部分内容 及结果： ( 1 ) 根据鲁米诺增强声致发光原理，用摄像机拍摄到空化气泡的运动全过程。 ( 2 ) 自制了微光测量仪，分析仪器各部分电路的组成和功能。 ( 3 ) 用微光测量仪对超声清洗槽内的声致发光强度进行测量。分别作用2 2 k h z 、 2 7 k h z 和4 0 k h z 的超声波，改变电功率密度值对应得到声致发光强度的变化情况， 结果表明：输入电功率密度只有超过声致发光阈值时，液体中才会出现声致发光 现象。在2 2 k h z 换能器辐射下，发光强度随电功率密度的增大类似直线型增大， 但没有达到饱和值；在2 7 k h z 换能器辐射下，发光强度随电功率密度的增大类似 阶梯型增大，最后达到饱和值；在4 0 k h z 换能器辐射下，发光强度随电功率密度 的增大出现起伏，过程中出现两次饱和值。 ( 4 ) 在实验和理论上分析超声作用频率对声致发光强度的影响。超声的频率不 同，其声致发光的阈值也不同，频率越高，声致发光的闽值也随之升高。由于声 信号在一个振动周期内就能产生一次发光，所以单位时间内，不同频率的超声产 生的发光次数也不同。因此，即使是在同一电功率密度条件下，不同的超声频率 发光强度也不同，所以不同频率条件下的超声具有不同的发光光强一电功率密度关 系的曲线关系。 关键词：超声空化声致发光声场分布 光电倍增管 e x p e r i m e n t a ls t u d yo nm e a s u r e m e n t o fu l t r a s o n i c c a v i t a t i o nf i e l dw i t hs o n o l u m i n e s c e n c e w a n gq i a o x i a a b s t r a c t ：u l t r a s o u n dh a sb e e ne x t e n s i v e l ya p p l i e di n m a n yf i e l d s w i t ht h e d e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y f o re x a m p l ec l a s s i cp o w e ru l t r a s o u n d ，w i n e u l t r a s o u n d ，u l t r a s o u n dm e a s u r e m e n t ，u l t r a s o u n dm e d i c i n e ，t h em a r g i n a ls u b j e c t ss u c ha s u l t r a s o u n dc l e a n i n g , s o n o c h e m i s t r ya n ds o n o b i o l o g yh a v ea d v a n c e dr a p i d l y , a n dn e w r e s u l t sh a v ec j t m eo u tn o wa n dt h e n u l t r a s o n i cc a v i t a t i o ni st h em a i nm e c h a n i s mt h a t i n d u c e sa l lk i n d so fp h y s i c a l ，c h e m i c a la n db i o l o g i ce f f e c t sd u r i n gt h e s ea p p l i c a t i o n s s o t h er e s e a r c h e so ft h e o r ya n de x p e r i m e n to fc a v i t a t i o nb e c o m ef o c u s t h ec a v i t a t i o n c o r r e l a t e sw i t hm a n yf a c t o r s ，a n dg o i n gw i t hc o m p l i c a t e dn o n l i n e a r i t y , w h i c hm a k e s m a n yd i f f i c u l t i e s i nt h er e s e a r c h e so ft h et h e o r yo fc a v i t a t i o n ，s ot h er e s e a r c h e so f c a v i t a t i o na r em o s t l ye x p e r i m e n ta n da p p l i c a t i o n s i nt h ec i r c u m s t a n c eo ft h eu l t r a s o u n dc a v i t a t i o nf i e l d ，t h ec a v i t a t i o nb u b b l e so ft h e f l u i di n f l a t ea n dc o n t r a c tw i t ht h ea c o u s t i cf i e l d h i g h l yi n t e n s i v ee n e r g yw i l lb e c o n c e n t r a t e di nt h eb u b b l e sa n dt h a tw i l lf l a s h n i sp h e n o m e n o ni sc a l l e d s o n o l u m i n e s c c n c e i nt h es o n o l u m i n e s c e n c et h em o v e m e n to ft h eb u b b l e sc o n v e r t s a c o u s t i ce n e r g yo fl o w e n e r g yi n t e n s i t yt ol u m i n o u se n e r g yo fh i g h - e n e r g yi n t e n s i t y t o s t u d yt h et h e o r yt h ee n e r g yc o n c e n t r a t i v e ，r e s e a r c h e r sc a r r yt h r o u g hd i s q u i s i t i o n c o n t i n u a l l yt ot h eb u b b l ed y n a m i c sa n dm e c h a n i s mo fs o n o l u m i n e s c c n c c ，t h a tm a k e s s o n o l u m i n e s c c n c cb e c o m eh o tr e s e a r c hi n p h y s i c s a n dn o n l i n e a ra c o u s t i c s s o n o l u m i n e s c e n c ei sa s s o r t e dt w ot y p e so fs i n g l e - b u b b l es o n o l u m i n e s c e n c ca n d m u l t i p l e - b u b b l es o n o l u m i n e s c e n c ea c c o r d i n g t oa m o u n to fa i rb u b b l e i n1 9 3 4 ， h f r e n z e la n dh s c h u l t e si nc o l o g n eu n i v e r s i t yw h of o u n da c c i d e n t a l l ym a c r o s c o p i c i l l u m i n a t i o nb e s i d e st h ec r e p i t a t i o no fb u b b l e sw h e nt h e yr e s e a r c h e ds o n a r , w h i c ha r e g e n e r a l l yc a l l e d “m u l t i p l e - b u b b l e s o n o l u m i n e s c e n c e ”i n1 9 9 0 d e g a i t a ni n m i s s i s s i p p iu n i v e r s i t ym a d es i n g l eb u b b l eb ee n t a n g l e di nt h ec e n t e ro fw a t e ra n dl e ti t i l l u m i n a t eaf e wh o u 幅s t a b l ya n dp e r s i s t e n t l y , w h i c ha r eg e n e r m l yc a l l e d “s i n g l e b u b b l e s o n o l u m i n e s c c n c e ” i nt h i sp a p e rf o l l o w i n gw o r kh a sb e e nd o n eb a s e do nt h et h e o r ya n de x p e r i m e n t r e s e a r c ho fs o n o l u m i n e s c e n c e ，t h ef o u rm a i nc o n t e n t sa n dr e s e n t so ft h er e s e a r c ha r ea s m f o l l o w s ： 1 1 1 1 e p r i n c i p l e t h a tl u m i n o le n h a n c e s s o n o l u m i n e s c e n c e f i l m i n gt h e p r o c e s s i o no f t h ec a v i t a t i o nb u b b l e sa t h l e t i c sw i t hc a m e r a 2 t h e 百i m m e rm e a s u r e m e n t i n s t r u m e n ti s d e s i g n e d a n dm a d e ，a n dt h e c h a r a c t e r i s t i c sa n df u n c t i o no fi ta r ea n a l y z e d 3 m e a s u r i n gs o n o l u m i n e s c c n c ei n t e n s i t yo fc l e a n i n g t a n k w i t ht h e 百i m m e r m e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t w i t h2 2k h z s ，2 7k h z sa n d4 0k h z su l t r a s o u n d ，c h a n g i n g p o w e rd e n s i t ya n dg e t t i n gt om u t u a ls o n o l u m i n e s c e n c ei n t e n s i o n ，t h er e s u l ti n d i c a t e d ： o n l yp o w e rd e n s i t ye x c e e d st h r e s h o l dv a l u ea v e r a g ea c o u s t i c i u t e n s i o ni n f l u i d ， s o n o l u m i n e s c e n c cw i l lh a p p e n w i t h2 2k h z st r a n s d u c e rr a d i a t i o n ，l u m i n o u si n t e n s i t y a c c e s s e s s t r a i g h t l yw i t hp o w e rd e n s i t y b u tn o tt os a t u r a t i o nv a l u e ；w i t h2 7 l f f l z s t r a n s d u c e rr a d i a t i o n ，l u m i n o u si n t e n s r ya c c e s s e st r a pw i t hp o w e rd e n s i t y ；w i t h4 0l d - i z s t r a n s d u c e rr a d i a t i o n ，l u m i n o u si n t e n s i t ya c c e s s e sw a v ew i t hp o w e rd e n s i t y a n dg e tt o s a t u r a t i o nv a l u et w i c e 4 a n a l y z i n gu l t r a s o u n df r e q u e n c yt oa f f e c ts o n o l u m i n e s c e n c ei n t e n s i t y d i f f e r e n t f r e q u e n c yc o r r e s p o n dd i f f e r e n tl u m i n o u st h r e s h o l dv a l u e h i g h e rf r e q u e n c yc o r r e s p o n d h i i g h e rt h r e s h o l dv a l u e a st os o u n ds i g n a le n g e n d e rl u m i n e s c e n c ef i r s ti nas o u n dc y c l e ， d i f f e r e n tf r e q u e n c yu l t r a s o u n de n g e n d e rd i f f e r e n tt i m e so fl u m i n e s c e n c ei nu n i tt i m e i n t h es a m ep o w e rd e n s i t y ，d i f f e r e n t 仃e q u e n c yc o r r e s p o n dd i f f e r e n tl u m i n o u si n t e n s i t y , s o i nt h ed i f f e r e n t f e q u e n c y d i f f e r e n tc u r v eb e t w e e nl u m i n o u si n t e n s i t ya n dp o w e r d e n s i t y ，j k e yw o r d s ：u l t r a s o n i cc a v i t a t i o n s o n o l u m i n e s c e n c ed i s t r i b u t i o no f u l t r a s o n i cf i e l d p h o t o m u l t i p l i e rt u b e 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，论文中不包含其他个人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得陕西师范大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：日期：墨塑生兰! 学位论文使用授权声明 本人同意研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属陕西师范大 学。本人保证毕业离校后，发表本论文或使用本论文成果时署名单位仍为陕西 师范大学。学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其它指定机构送交论文 的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进 入学校图书馆、院系资料室被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索：有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。 日期：! 塑堡! 自 第一章绪论 1 1 声致发光概况 声致发光是超声空化伴随有光发射的现象，也就是使束缚在液体中的气泡在 周期性的超声场的驱动下脉动发光。它是一种由声能转化为光能的过程，也是唯 一不使用激光器而能产生皮秒级闪光的方法【。 声致发光现象的发现可以追溯到1 9 3 3 年，法国科学家m a r i n e s c o 和t r i l l a t 在 报告中提到，他们用振动的石英晶体浸入水中，几小时以后，水中的照相底板感 光了，起初认为，这是超声波作用于卤化银的结果。1 9 3 4 年，德国科学家f r e n z e l 和s c h u l t e s 直接观察到超声作用下水槽中的这种弱光发射现象。1 9 3 9 年，美国科 学家h a r v e y 正式启用声致发光( s o n o l u m i n e s c e n c e ) 这个名词，人们知道：当驱动 超声场的强度足够大，以致于在液体中某些地方形成的声压超过某一阈值时，液 体中便会出现大量的气泡，这就是所谓的超声空化现象。当然，对于完全去气的 纯水，这个阈值非常大，以致于实验难以实现。然而，当气体中含有汽化核( 如 溶在水中的空气等) 时，则这个阈值便下降到略大于大气压。当声场继续加大， 声场对空化泡的膨胀后的激剧压缩导致气泡爆炸发光。这是一个不定位无周期的 大量气泡的爆炸发光现象，常称为“多泡声致发光”1 2 1 。1 9 9 0 年g a i t a n 和c m m 在 高度去气的纯水中，用注入气泡的方法得到一个悬浮于流体驻波声场中的气泡在 声场压强下周期性振荡、崩溃，并同时发出超短脉冲的现象，称之为“单泡声致发 光，1 3 l 。 声致发光现象的发现虽有7 0 余年的历史，但进入八、九十年代以后，才对它 有较深刻的认识，即液体中声空化过程建立的极端物理、化学条件起了决定性作 用。现在声空化及其物理、化学和生物效应的研究随着非线性声学、声化学和超 声医学的发展逐渐升温，并己成为热点。因为声致发光的机制研究和声致发光的 应用研究分别可以和热核反应的点火方法及癌症等病人的早期诊断等高科技领域 联系起来，所以对它更为重视，并不断得到深化 4 - 5 。 无论是多泡声致发光，还是单泡声致发光，众多国家的科学家都看好声致发 光的基础研究，并取得了一些重要进展。德国的l a u t e r b o m 利用高速全息摄影技 术，研究了声致发光的束流，利用增强的c c d 照相技术，研究了多泡声致发光现 象，建立了新的空化泡动力模型 6 1 ；俄罗斯的m a r g u l i s 等人观察到次声频 ( 1 0 1 0 0 h z ) 声波也可以激发出声致发光l ”；意大利的d e z h k u n o v 等人的实验证明， 通过多种参数的选择，可以增强声致发光1 8 】；澳大利亚的a s h o k k u m a r m 证明，表 面活性剂对水溶液的声致发光有明显影响【9 1 ；法国的l e b o u c 在报告中提到，声强 增加时只产生更多的发光空泡，并不使空泡发射出更多的光子1 1 0 j ；比利时的l e p o i n t 和m u l l i 等人利用等离子体分析方法，通过估算电子密度和温度，确认单泡声致发 光过后即呈等离子念；德国的m e t t i n d 等人在报告中指出，采用双模驻波激发方法， 使稳定的单泡声致发光强度增加了5 0 ，而驱动功率却减小到3 0 ；荷兰的 m a c i n t y r e 分析，单泡声致发光可以从热力学上得到解释【1 ”；日本的y a s u i 提出新 的空化泡模型，从而算得，皮秒声致发光空化泡的泡外液体层也有同样的高温， 可以发生化学反应；美国的r o y 和m a t u l a 从单泡体积在极大改变期间发光的实验 出发，提出多泡声致发光和单泡声致发光的机制有相似之处，也有明显区别；美 国的a t c h l e y 在研究单泡声致发光以后却认为，采用现今的经典理论和量子理论还 不能解释它的一些现象。 声致发光的应用研究融入高科技领域中，早期的应用研究有，用声致发光记 录声像，分析有机溶液的含水量等。1 9 8 8 年，英国剑桥大学的l e i g h t o n 等人用声 致发光的检测方法确定临床超声的空化效应。近几年，声致发光应用融入化学， 其他高科技领域的研究动向也引人入胜【”15 1 。比如，俄罗斯科学院应用物理研究 所的g o r s k i i 等人在1 9 8 9 年所进行的工作是，他们把人体血浆的声致发光作为诊 断早期癌症的方法加以研究，并预示着有潜在的前景。1 9 9 6 年，俄罗斯的放射物 理研究所的c h e m o v 等人继而报道，他们研究了7 5 0 0 多例消化道患有癌症、艾滋 病和结核病等病人的声致发光1 1 6 1 ，结果表明，声致发光方法可以在肿瘤疾病和免 疫力差的其它疾病方面起到辅助诊断作用，据称，病人血浆的声致发光指数的发 现或许有助于x 射线和超声波检查的进一步判断。更使物理界震惊的是，单泡声 致发光所揭示的空化泡的内爆温度可能接近核聚变所需的高温，因此，激励了一 些科学家的想法【1 7 1 。1 9 9 4 年以来，美国科学家w u 和r o b e r t 利用单泡声致发光的 激波模型，在理想气体条件下算得这个温度高于1 0 s k ，比受控热核反应所需点火 温度还要高! 当然，高温高压下的气体因变性，所以，这一结果不一定符合事实， 但是，美国的m o s s 和m o r a n 等人，在考虑了气体在极端条件下的特性后，仍然算得 单泡内的这一温度为1 0 6 k 离核聚变所需温度也只差2 个数量级【1 ”。还有媒体报道， 美国的p t t e r m a n 等人已开始进行熏水声致发光的实验。根据单泡声致发光的模型， 俄罗斯的m a r g u l i s 也提出了引发热核能量的实验模型1 1 ”。如果利用单泡声致发光 的引发方法可以实现核聚变，那么，因其原料可采用重水，所以，这种能量就真 是取之不尽，用之不竭了。 频繁的国际学术交流，声致发光的研究广泛而深入，并占有越来越重要的地 位。1 9 9 5 年世界超声学大会( w c u 9 5 ，德国洪堡大学) 上，有美国、中国、俄罗 斯和日本等国科学家关于声致发光论文报告：1 9 9 6 年欧洲声化学学会第五次会议 2 ( e s s 5 ，英国剑桥大学) 上，声致发光的研究论文占有更突出的地位，更多的备 份量，有德国、美国等国的学者在大学上做报告；1 9 9 7 年8 月在美国西雅图举办 了“声化学及声致发光高级研讨会”该会由北大鹾洋公约组织( n 1 o ) 的科学事务 部发起，并联合美国声学学会、美国海军研究署和华盛顿大学应用物理实验室组 织实施，计有6 个国家的1 3 名著名学者做了有关声致发光报告，来自1 9 个国家 的7 5 名与会者在这个研讨会上交流了声化学和声致发光的研究经验，并切磋未来 的国际合作；1 9 9 7 年8 月在日本横滨召开的第2 届世界超声大学( w c u 9 7 ) 和1 9 9 8 年6 月在美国西雅图召开的第1 6 届国际声学大会暨第1 3 5 次美国声学学会会议 ( 1 6 t hi c a 1 3 5 t h a s a ) 也把包含声致发光在内的声化学、声空化和激波等非线性 声学、功率超声和光超声互作用列为大会主要论题。 展望未来，声致发光的理论和应用研究将更加诱人、更加灿烂。 1 2 声致发光应用的研究进展 由于声致发光是非线性声学中空化过程的一种奇异而又重要的现象，所以长 期以来受到人们的注意。下面介绍声致发光在主要的五个方面的应用进展。 1 2 1 超声空化场影像研究 k a t s u o 和n e g i s h i 首先利用鲁米诺碱性溶液的声致发光，记录了5 0 、4 0 0 、4 7 0 和5 0 0 k h z 超声空化场影像。利用的透光容器是试管、圆形玻璃缸和平底烧杯，拍 摄到玻璃管内鲁米诺碳酸钠溶液的声致发光的光像，还观察到鲁米诺氢氧化物水 溶液的声致发光的光束和辐射空化场的束流影像【矧。 这种研究空化场的影像方法具有显著优点，它可以对空化场进行实时观察和 三维摄像，不受容器形状的限制，也不需要搁置探测元件，免除了插入干扰。这 种方法还特别适合超声化学频率2 0 5 0 k h z 反应器和低兆赫兹超声空化场的研究。 存在的主要问题是，很多实际的反应器不是透光的，所以无法测到空化场的整体 图象，除非预先用透光材料模拟此类容器；与日光和电光相比，由鲁米诺增强的 声致发光仍然较弱，因此，观察空化场需要在暗室中进行。 1 2 2 声化学反应器活性区的研究 声化学主要利用超声控制化学反应，提高反应产量，降低反应条件以及引发新的 化学反应等。它的主要原理还是利用超声空化所造成的局部超高温、超高压，引 发许多化学、生物、力学及热效应，从而为常规化学反应提供了反应动力，所以“超 声空化”是声化学的主动力，它是一门新兴的边缘交叉学科。由于声化学自身具有 低能耗、少污染或无污染、设备简单等独特的优点，它有很大的发展潜力。声化 学研究的首要目标是提高声化学反应产额，了解和控制好反应器内化学反应的主 3 动力超声空化场的分布至关重要，利用声致发光法可以对声化学反应器活性区进 行研究i 2 1 彩1 。 v r e n a u d i n 等人为了提高对毒性有机物的超声分解效率，采用声致发光和光 纤、热电检测技术，研究了圆柱型玻璃反应器，在5 0 0 k h z 超声作用下声化学活性分 布，结果表明，声致发光的最亮区并不是超声强度的最大位黄。他们认为，很大一 部分能量或许未引发声化学反应，但声化学反应活性区的最佳空间分布可以通过这 种声致发光和超声强度的同时观测加以设计 2 4 , 2 5 l 。存在的问题之一是，他们的观察 结果与g t r e y n o l d e 采用2 0 k h z 超声反应器所得的不同。因此，就有必要继续研究 不同频率和功率作用下。几何形状和所盛液量不同的反应器内声致发光的空间分布。 问题之二是，所插入的光纤和热电偶探测元件的几何尺寸接近所用超声的波长，所 以，空化活性的检测精度必定由此干扰而受到影响。第三，建立活性区的立体图象 需要进行大量的逐点测试，工作量很大，除非采用连续的自动定位测试系统f 冽。 1 2 3 声致荧光法的研究口7 , 2 a l 在超声空化场激励下，由溶液中水分子裂解成的自由基形成了过氧化氢，它们 使处于双离子态的鲁米诺氧化而引发荧光。李化茂等人比较研究了鲁米诺氢氧化物 水溶液的声致荧光和光致荧光的光谱特征，结果表明，它们的声致荧光的发射波长， 几乎都落在单一的鲁米诺水溶液的光致荧光的发射波长3 7 0 - - - - 7 5 0 n m 范围内，检测 方法也简单。因此，声致荧光切实可行，对于那些采用光致荧光分析法欠妥的地方 无疑提供了一种新的技术途径。然而，相对于光激发的荧光峰来说，鲁米诺氢氧化 物溶液的声致荧光峰发生红移，这说明声致荧光和光致荧光的光谱特征是有区别的， 有必要进一步研究。 1 2 4 医学超声的研究1 2 9 , 3 0 l 超声医学是由超声诊断和超声治疗两部分组成。超声诊断是利用超声波动特性 作为信息载体探查人体内的病变信息；超声治疗则是利用超声波的能量特性，把一 定剂量的超声波作用人体的病变部位，通过某种生物物理作用机制( 机械的、热学 的和空化的) 对人体组织的状态、功能或结构产生影响而达到预期的治疗目的。 近2 0 年来，由于超声影像诊断技术及强超声治疗学的迅速发展，超声空化与超 声医学之间的关系也越来越密切。上个世纪8 0 年代以来，由于超声影像诊断技术在 妇产科的应用范围与效能日益增加，以至把它作为了常规检查手段。而现行的超声 影像诊断仪输出的峰值声强可达到几百w c m 2 ，甚至上千w c r n 2 。而有关理论和模 拟实验相继证明，这样高的脉冲声强足以在含有空化核的生物流体中引发空化现象。 在对医学超声空化闽值研究方面，j b f o w l k e s 和l a c r u m 利用含鲁米 诺的氢氧化钾硼酸充氩的缓冲液作为声致发光介质，研究兆赫兹级医学超声的空化 4 阈取得了新的认识。他们认为，利用鲁米诺增强的声致发光可以检测这类超声空化 阈，而且检测结果可以重复，一致性好，与操作者无关。但空化阈值检测时与所选 用的检测器相关，灵敏度高的光检测器可测得实际上较低的空化阈值；所检测的空 化阈值还与医用脉冲超声的重复频率和脉冲宽度有关，均随频率和脉宽的增加而降 低。 1 2 5 利用声致发光曝光成像凹 这是超声空化场影像的一种延伸方法。将溶液的声致发光作为曝光光源，在暗 室中对剪纸图案照相和对人物照相底片印像，在实验中都取得成功，而且相片清晰， 但曝光时间长达几分钟。这种研究的主要目的是，证实增强后的声致发光可以使普 通感光材料曝光成像，这样水下大功率超声换能器的近区辐射状况可能借此方法拍 摄记录。问题是，由于溶液空化过程中升温、雾化，以及溶液的损失等原因，会使 这种光源不稳定，曝光时间还过长，所以很难从这种累计感光所成的像上做精细的 分析。 1 3 选题背景及其研究意义 由于超声空化的产生机制尚不清楚，对它的测量方法也有待进一步的发展。利 用声致发光成像测量液体中超声分布，对空化声场可进行直观，实时的研究，进 而对声化学反应器中活性区的测定、超声医学成像技术的发展和核聚变的点火方 式等都起到十分重要的意义。 n ) 由于大功率条件下液体中声场的测量比较复杂，至今还没有完全成熟的测量 方法利用声致发光成像可以简单直观的记录超声空化场的动态过程。 f 2 ) 声致发光使声能量高度局域化，它所产生的泡内局域高温是普通加热方法 所无法达到的。目前人们已经用多泡声致发光来加速化学反应。比如，从碘化钾 还原碘通常需要数个小时，而在2 0 k l z 的超声场作用下反应速度大大加快，只需几 分钟；如果在适当迭加上一个i m h z 的超声场后，反应时间更快，进入了毫秒级。 ( 3 ) 声致发光成像技术在医学上的应用【3 2 1 。声致发光在高散射介质中可以成像， 鉴于声场激发有着穿透能力极强等光场无法比拟的优势，所以声致发光成像克服 了光学检测方法不能对组织内部特定区域进行激发的不足，而且除可获得生物组 织的声、光特性外，还可以得到生物组织内声能转化光能的特性。该方法易于实 现，尤其是多泡声致发光更易实现，因此声致发光成像方法将来在临床诊断的各 个方面得到广泛的应用。此外，还可以利用声致发光或声致化学发光来检测声场 强度分布，继而可以对现有的超声成像技术加以改进，发展一种超声c t 成像诊断 技术。 ( 4 ) 单泡声致发光比多泡声致发光的能量局域性更强。人们已经预期泡内温度 5 可达1 0 8 k ，这以引起核聚变工作者的注意。t a l e y a r k h a n 小组用声致发光设备成功 得获得核聚变反应条件则引起科学界的争议。为了能在实际上出现增益的轻核聚 变，类似与多电路激光打靶产生高温等离子体惯性约束研究中引入超强脉冲激光 点火，对于处于强超声场中的压缩气泡也可采用飞秒级强脉冲激光点火装置，以 促使气泡内d d 、d t 发生可增益核聚变【3 3 i 。 可见，声致发光与高能物理、能源技术等有密切的关系。随着人们对声致发 光现象的进一步了解，它与其它学科之间的关系会越来越密切。由于它具有所需 设备简单、性能稳定等优点，在不久的将来声致发光将会有力的促进和推动科学 技术的进步。 1 4 本论文的研究工作 本文研究了超声空化现象，空化气泡在塌缩的瞬间产生的高温高压是声致发光 产生的原因。气泡内产生的高温高压与超声压强、频率、气泡内气体的含量以及 气体的性质等条件有关，当这些条件改变时，声致发光强度就会发生显著的变化。 其中超声强度和频率对声致发光产生很大的影响。论文的主要工作有以下几方面： ( 1 ) 对超声空化和声致发光现象进行理论研究，并分析了空化泡的动力学原理和 声致发光的发光机制。 ( 2 ) 用摄像机在暗室中拍摄到清洗槽内声致发光的全过程。 ( 3 ) 自制了微光测量仪，分析仪器各组成部分的工作原理和构成。 ( 4 ) 用微光测量仪对声致发光声场进行测量，研究发光强度与电功率密度和超声 频率之问的关系。 6 第二章超声空化的基础理论 超声空化是超声技术应用中的一个十分重要的基础研究课题超声空化是指液 体中的微小泡核在超声波作用下被激活，它表现为泡核的振荡、生长、收缩和崩溃 等一系列动力学过程【州。 2 1 超声空化及其类型 2 1 1 空化核嗍 空化核主要是由附着在溶液中固体杂质、微尘和容器表面上及细缝中的微气泡 或气泡，或因结构不均匀造成液体内抗张强度减弱的微小区域中析出的溶解气体构 成。我们知道，超声波在介质的传播过程中存在着一个正负压强的交变周期，在此 期问，声波将引起媒质分子以其平衡位置为中心的振动。如作用于媒质的声压为 p a = p a s m t ( p a 声压振幅，o 为声波的角频率) ，在负压相位时，媒质受到作用力为 p o - i p 。i ( p o 为液体的静压力) ，此时，分子间的平均距离增大，液体介质的密度减 小。当声强足够大时，液体受到的相应负压也足够大，那么分子问的平均距离就会 增大超过极限距离，从而破坏液体结构的完整性，导致出现空腔或空穴即空化核。 2 1 2 空化阈 3 0 1 使液体空化的最低声强或声压幅值称空化阈。设液体的静压力为只，交变声 压幅值为p a ，则只有p a 只时才能出现负压。负压超过液体强度时才能形成空化。 空化阈声压p 可由下式表示： 只吩只+ 去橱万萌 ( 2 - 一1 ) 式中：一蒸汽压r 。一气泡的初始半径t 液体的温度 可见，空化阈值随不同液体而不同；对于同一种液体，不同的温度、压力、 空化核半径及含气量，空化阈值也不同。一般来说，空化阈值随声波的频率、液 体的静压力和粘滞性的增大而升高，随液体的含气量的增大而降低。 2 1 3 超声空化的类型嘲 一旦空穴形成，在声波的作用下，它将一直增长至负压相的极大值，接着在 相继而来的声波正压相内，这些空穴又将被压缩。这样，一些空化泡就会被压缩 至崩溃；而另一些空化泡保持稳定的径向振荡状态。前者称为瞬态空化，后者称 为稳态空化。 瞬态空化一般在较大声强作用下才可能发生，而且它只能存在一个或几个声波 周期时间内。当声强足够高时，在声场负压时，液体受到大的拉力，存在于液体的空化 7 核迅速膨胀，可达到原来的数倍，随之在声波正压相作用下迅速收缩至崩溃。崩溃时 伴随形成许多微空泡，构成新的空化核，有的微泡则会因其半径过小而表面张 力过大，溶进液体中。在气泡崩溃闭合时产生局部的高温、高压和冲击波。一般 认为，在瞬态空化泡存在的时间内，不发生气体通过空化壁的质量转移，但在泡 壁界面上液体的蒸发与蒸汽的凝聚却自由地进行。 如果设瞬态空化泡的收缩( 直到崩溃) 过程是绝热过程，根据有关理论研究给 出空化崩溃瞬时的最高温度与最大压力分别为： pf ，一n k = 乙【2 】 ( 2 _ - 2 ) v 式中1 k 取液体的环境温度，p m 为气泡作用的总压力，只为空化泡内的蒸汽压力， y 为蒸汽的比热比。 r p 眦：昂f 萼r n ( 2 _ 3 ) l j 理论估算以及对声化学反应速度的实验表明，瞬态空化泡崩溃时，形成局部热 点，其温度可达5 0 0 0 k 以上( 相当于太阳表面的温度) ，温度变化率达1 0 9 k s ；压 力可达数百乃至上千个大气压( 相当于大洋深海处的压力) 。 瞬态空化伴随发生的高温可导致自由基的形成及声致发光的发射；而压强的释 放将在液体中形成强大的冲击波( 均相) 或高速射流( 非均相) 。瞬态空化正是以 这种特殊的能量形式来加速化学、生物反应或启动新的反应通道的。 稳态空化主要是指那些内含气体与蒸汽的空化泡的动力学行为。它是一种较长 寿命的气泡振动，常常持续几个声周期，而且振动一般都是非线形的。这种空化 过程可在较低声强下产生。稳态空化泡由于存在时间较长，因此通过气泡与液体 的界面除有液体蒸汽及蒸汽凝聚之外，还可以发生气体质量扩散。此外，由于在 声波膨胀相内气泡在振荡过程中增大，这种现象称之为定向扩散。定向扩散伴随 气泡表面张力( o r ) 减小，当振动振幅足够大时，则有可能使气泡转向瞬态空化 过程，继而发生崩溃。但这种从稳态气泡转向瞬态气泡而发生崩溃的过程，由于 泡内气体的缓冲作用下，气泡崩溃闭合时产生的局部高温、高压不如纯蒸汽空化 泡高。当然在声波的连续作用下，气泡也可能继续增长，直到浮上液面而逸出， 这便是超声除气过程。 2 1 4 空化气泡的运动特性 超声空化过程重要是分析处在p o p 。声压场中气泡的特性取得的，这样一个气 泡所产生的现象与超声频率和气泡的共振频率的相对大小有关。无论在什么情况下， 对于密度为p 的液体中，半径为r 0 的空化泡自然的共振频率，m i n n e a r t 给出表达式 8 为： ，i 去坍r ( m 条) 一矧 ， 对于较大的空化泡，有p 0 i 2 0 ，忽略等的影响，则上式可写成： 7 ；。上3 r p 0 ( 2 _ - 5 ) 2 2 1 ：r 0v p 式中o r 为表面张力系数，y 为比热比( y 值取决于气体的种类与状态) 。 气泡在声场作用下将进行振动，但不一定发生崩溃。当超声频率， ，时，气泡以一定幅度按近似正弦振荡，空泡难以发 生崩溃。 设液体是不可压缩的，液体中有一开始半径为r 0 的气泡，气泡所在液体的静压 力为p 0 。当给液体加一超声声压：p a = p a s i n c o t 则气泡半径变为r ，忽略界面上的传 热和传质，则可求得气泡的运动方程： r 务+ 主( 警) 2 + 吉卜一只s m 耐一只+ 等一( 鲁) 3 ( p o - p + 薏) 】一。 ( 2 _ 6 ) 上式是一个非线形方程，一般得不到解析解。 若进一步考虑气泡运动过程中的能量粘滞损耗，以及气泡振动时向液体辐射声波而 存在的辐射阻尼，则公式( 2 - “) 变为： 肚万d r 2 + j 3 p ( 警) 2 一卜+ 丝r o1 j f i , 鱼r1 j ”+ r 1 一( 毒) s m 研 + 詈+ 等警一。 ( 2 _ 7 ) 式中( 昂+ 鼍) 表示在平衡半径时空腔内有效压力，为液体的粘滞系数，k 为反映过 程热力学状态的多方指数。上式前两项为惯性，第三项为内压，第四项为外压，第 五项为表面张力，第六项为粘度衰减因子。通过一些近似条件可以求解。 2 1 5 空化的基本效应 液体中声空化过程是集中声场能量并释放的过程。空化泡崩溃时，在极短的 时间内，在空化泡周围的极小空间内，形成高温高压f 3 6 l 。这就为一般条件下难以 实现或不可能实现的化学反应，提供了一种非常特殊的物理环境。因此可以说瞬 态空化是声化学的主动力。空化现象的诸多伴随效应可归纳为四种基本效应，即 机械效应、热点效应、活化效应和光效应。 9 ( 1 ) 机械效应是指瞬态空化塌缩气泡时，产生冲击波或高速微射流。它主要 表现为使非均相界面的增大。 ( 2 ) 热点效应是指瞬态空化塌缩气泡时，气泡本身内部可看成高温高压的微 型反应器；在气泡邻近区域，在那里由于塌缩而产生的冲击波要产生巨大的剪切 力。于是空化形成局部的高温高压，这一局部区域称为“热点”。 ( 3 ) 活化效应是指热点的高温导致气泡和液体交界面约几百个纳米厚的液壳 区域，液体分子被塌缩的气体所产生的冲击波裂解为自由基。由于空化发生时液 壁急剧收缩，分子被空化效应打成碎片，这些自由基在生成的同时被抛射到周围 的液体中或在气泡内进行反应，这些具有高活性的自由基将和溶液中的分子发生