超声场中气泡动力学及其线光谱的辐射

【摘要】当超声波通过含有气泡的液体时,气泡在超声驱动下脉动,并会产生一系列的物理效应。关于超声驱动下的气泡动力学及其声光效应的研究一直是人们感兴趣的课题。从结构上看,气泡可以分为空化气泡和包膜气泡。空化气泡是强超声通过液体时,液体中自发产生的气泡。包膜气泡是一种人工制造的气泡,它存活时间较长,且易于人工控制。目前这种气泡在超声影像,药物靶向传输和治疗等临床医学方面有重大的应用。气泡,尤其是空化气泡,在超声作用下,会经历缓慢膨胀,然后急剧塌缩的过程,最终会在泡内产生极端高温高压,甚至辐射出光,即声致发光。在本论文中,我们围绕气泡动力学及其声光效应开展实验和理论探索。具体对包膜气泡的动力学进行了实验测量；对卤化盐水溶液中空化气泡辐射的线光谱进行了实验研究；以及针对实验,就多气泡动力学开展了理论建模和数值分析,得到了一系列有意义的结论。1.超声驱动下的包膜气泡的动力学测量。我们运用长距离显微成像系统和锁相积分拍摄技术相结合的方法,获得了单个造影剂微气泡(一种包膜气泡)在超声场中的振动细节图像。在每个周期内,我们得到了近百帧微气泡的振动图像。根据这些图像得到了微气泡半径的实验数据,并分别用Hoff型,Yasui模型Rayleigh-Plesset(R-P)模型对数据进行拟合；也对数据进行了频谱分析。结果表明：(1)Hoff模型对实验数据的拟合结果是最佳的；(2)二次谐波的相对强度随着声压幅度的升高而增大。2.四种卤化盐水溶液中声致发光的光谱研究。我们在没溶有惰性气体的氯化铽(TbCl3)水溶液中拍摄了声致发光的光谱,得到了一系列铽离子(Tb3+)的特征谱线,包括：中心波长485nm处的跃迁谱线(5D4→7F6),中心波长540nm处的跃迁谱线(5D4→7F5),中心波长580nm处的跃迁谱线(5D4→7F4)和中心波长615nm处的跃迁谱线(5D4→7F3)。我们也在未溶有惰性气体的氯化钠(NaCl),溴化钠(NaBr)和碘化钠(NaI)水溶液中进行了多泡声致发光的光谱拍摄,观测到Na原子在波长589nm处的特征谱线。这些实验现象说明了在没有惰性气体的卤化盐水溶液中,声致发光可以产生线光谱,实验证实了惰性气体并不是声致发光产生线光谱的必要条件。我们还运用玻尔的原子跃迁理论解释了线光谱的清晰度与声压的相关性。如果系统提供一个合适的驱动声场,把Tb3+从基态7FJ(J=6,5,…,0.)泵到第一激发态5D4,当它从5D4衰退回7FJ时,就会辐射清晰的Tb3+线光谱。当系统提供一个弱驱动声场时,被泵到第一激发态的Tb3+数就会减少,相应地,Tb3+的特征谱线就会减弱。当系统提供太强的驱动声场时,一些Tb3+会被泵到第二激发态5D3,第一激发态上Tb3+的离子数相应减少,此时,尽管整个光谱的强度升高,但Tb3+线光谱(5D4→7FJ)的清晰度却降低了。3.超声驱动下的双空化气泡的动力学模型。单个气泡在超声场中振动只是一种理想的状态,在实际应用过程中,气泡数目是很大的,气泡之间的相互作用是必须考虑的因素之一。我们在流体力学理论的基础上,基于微扰理论和Bernoulli方程,建立了一个模型来描述双空化气泡在超声场中的非球形振动,该模型在形式上分为球形和非球形两部分。根据模型中的非球形分量a2(t)和b2(t)可以分析双气泡球面的振动对气泡本身稳定性的影响。该模型对构建多气泡振动模型也有一定的启发作用。
【作者】梁金福；
【导师】陈伟中；
【作者基本信息】南京大学，声学（专业学位），2014，博士
【关键词】包膜气泡；声致发光；卤化盐水溶液；线状光谱；双气泡模型；

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