不同液体中空化引起的冲击波行为

Khavari M, Priyadarshi A, Morton J, Porfyrakis K, Pericleous K, Eskin D, Tzanakis I. Cavitation-induced shock wave behaviour in different liquids. Ultrason Sonochem. 2023 Mar;94:106328. doi: 10.1016/j.ultsonch.2023.106328. Epub 2023 Feb 14. PMID: 36801674; PMCID: PMC9975297.

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       研究液体中冲击波（SW）的时空演化，发现SW频率峰值移动与声速变化相关。除甘油外，液体中空化区和屏蔽随输入功率增加。乙醇-水混合物适用于合成纳米材料。本研究在24 kHz超声波激发下观察水中空化气泡破裂产生的高频压力峰值，并探讨不同液体物理性质对SW特性的影响。实验显示，乙醇和甘油在低输入功率下冲击波压力峰值不明显，而1:1乙醇-水溶液和水中始终观察到峰值频率变化。冲击波特征包括提高MHz频率峰值和次谐波增强。声压图显示乙醇水溶液的压力幅度高于其他液体，定性分析表明其雾状图案导致更高压力。

• 一、简介

       空化气泡塌陷产生的冲击波一直受到学术界和实业家的关注，因为它们在生物医学、纳米材料、食品加工、微电子、液态金属加工和添加剂等各个领域具有产生剧烈响应动力学的非凡潜力。最近，基础研究分别研究了空化中心的空间冲击波压力和固液冲击时的冲击波阈值进一步推进该领域的现有知识。因此，了解声引起的空化冲击波，特别是气泡活动发出的声信号的检测和阐明（可以用作超声处理过程中控制空化活动的有力工具，如对于这些领域相关的各种应用和技术的开发和进一步改进至关重要。长期以来，许多研究都对引入高强度超声波后的超声处理液体中的冲击波特性进行了仔细研究。也许声空化最重要的特征是由于微气泡和云塌陷而导致的多重冲击波的形成和传播。这些冲击波可以以巨大的速度传播，在周围介质中产生强大的压力场。对这些发射的高能冲击波的精确特性评估有助于支持物理、化学和生物干预的多个方面，例如液态金属中的晶粒细化[20]、纳米材料的液态剥离[21]、声化学[22]和碎石术[23]，仅举几例。因此，可视化和量化这些冲击波对于利用这种非凡的能量并理解其本质至关重要。

       由于空化活动期间的压力波动较大以及非线性声响应导致的复杂气泡相互作用，在超声环境中识别冲击强度通常很困难。为了探索和有意义地描述复杂多气泡液体系统中的冲击波特性，需要系统的实验方法。这需要使用能够检测空化活动和宽带声发射的先进传感器。随着极其灵敏的高频空化传感器的出现，测量冲击波压力和强度现已成为可能。过去已经进行了大量研究，涉及与冲击波传播相关的实验压力测量。约翰斯顿等人。表明，以 254 kHz 运行的换能器产生的气泡云发出的周期性冲击波与声学感应的次谐波（和高阶谐波信号）相关，并且主要受声波强度控制。卡瓦里等人进一步报道称，来自 24 kHz 源的水介质中的空化引起的冲击波导致压力谱中出现约 3.2 MHz 的强信号峰值。空化谱的高阶分辨率还可以准确确定和量化超声处理介质内的冲击强度和分布。超声驱动的空化气泡也充当二次声源，生成的空化频谱是驱动频率和主要声信号强度以及气泡场特征的组合。这里应该指出的是，在所有上述冲击波表征研究中，主要使用水基系统，因此仍然不清楚空化动力学和冲击波传播如何在物理性质截然不同的液体中发生。

  具体而言，由空化内爆引起的多气泡系统中传播冲击波的强度主要取决于液体中的声速和界面特性，例如表面张力、粘度、气体含量、蒸气压和密度。然而，在石墨剥、声化学合成、乳化等应用中发现潜在用途的其他超声处理液体中的冲击波出现非常有限。盖伦等人最近报道称，在甘油等高粘度液体中，不存在激光诱导气泡引起的塌陷冲击，并且在低温下通过无冲击回弹发生空化。相反，对于蒸馏水，反弹事件总是伴随着崩溃冲击，如其他地方报道的那样。关于粘度影响的其他研究，虽然不是专门为了分析冲击波行为而进行的，但确实反映了液体特性对整体空化动力学的影响。例如，Žnidarčič 等人研究了甘油和乙二醇中液体粘度对超声空化和湍流强度的影响。据观察，粘度对附着在喇叭尖端的空化结构的主要气泡动力学没有显着影响，但确实导致微小空化气泡云的成核显着减少，导致更强烈的冲击负压峰值接近由于非凝结气泡云的缓冲较少，导致源头受到影响。Schaad 还通过比较水和乙二醇研究了水动力空化情况下的粘度影响，发现乙二醇中的空化不如水明显。察纳基斯等人最近研究了高粘性纤维浸渍热塑性熔体（聚丙交酯）中的声空化效应，发现活动空化区高度限制在喇叭尖端下方仅几毫米处，具有很强的衰减且几乎没有屏蔽效应。

  在这项研究中，我们的目标是扩展中提出的工作与水相比具有不同物理性质的其他液体。为此，我们选择了许多具有广泛密度、表面张力和粘度的模型系统，包括乙醇、甘油和 1:1 乙醇水溶液以及水。 24 kHz 的低频超声源产生大量空化气泡和气泡云，在崩溃时发出强大的冲击波。空化区域附近的校准光纤声学传感器捕获传播的冲击波。分析了相应的声压谱，研究了冲击波在测试液体中的影响。最后，我们对所研究液体的各种传感器功率以及各种传感器位置进行了全面的参数研究。通过分析 55 个不同位置，并考虑了超过 150 万个单独的空化崩溃事件，重建了每种液体的压力分布图。据我们所知，以前没有在这方面进行过研究。这项研究的结果将帮助科学家和工程师了解冲击波机制及其在上述应用中的作用。

• 2. 方法论

  实验装置如图A1所示。本次分析选择了四种不同的液体（乙醇、甘油、1:1 乙醇水溶液和水），它们具有明显不同的物理和空化特性[27] 。通过 24 kHz 换能器（UP200S，Hielscher Ultrasonics GmbH）对玻璃罐（300 mm × 75 mm × 100 mm）内的工作液体进行超声处理。使用光纤水听器 FOH（Precision Acoustics, ltd.）捕获声压，该光纤水听器 FOH 在 1–30 MHz 范围内以 1 MHz 增量进行校准。此外，使用高速相机（SA-Z，Photron，ltd.）来捕获空化发射（其他地方描述的第二个类似的实验装置[27]，[28]用于捕获和记录不同液体中的冲击波传播，我们的一些补充视频就是从这些液体中记录的）。我们选择了液罐中的 55 个位置（对应于 1300 多个实验），对每种研究液体进行声压测量。每个位置的所有实验均针对三种不同的输入传感器功率进行至少两次：20%、60% 和 100%，分别对应于 42、126 和 210 µm 的峰峰值位移幅度。我们选择圆柱形钛超声焊极尖端（直径 3 mm）的中心作为原点，并将探头放置在x  = −10, −8, −5, −3, −1, 0, 1, 3, 5, 8和 10 毫米和y = 1、3、5、8 和 10 mm，以获得广泛的对称声压图。然而，由于空化的混乱性质，压力峰值似乎并不分布。压力峰值有主要出现在该图右侧的趋势（例如，水/乙醇混合物在左侧 10 mm 处没有压力峰值）。这与先前在[36]中看到和解释的声流方向以及声屏蔽[37]有关。数字示波器 PicoScope-3204D（Pico Technology）在稳态条件下以 500 × 10 ⁶样本/秒的高采样率记录了 60 个波形的实时声学信号。实验结果通过内部 MATLAB 程序基于其他地方描述的反卷积过程进行分析。四种工作液体的特性如表 A1 所示。

• 3 结果与讨论

  3.1.高频制度

  当前工作的主要目标是研究各种液体中 MHz 范围内的强压力峰值信号（已在水中观察到[27] ）的普遍性。这将揭示冲击波在除水以外的液体中的行为，以及物理特性对其传播的影响及其对整体压力水平和空化区形成的影响。为此，在图 1中，我们比较了给定传感器位置 ( x  = − )四种液体在传感器校准频率范围 (1–30 MHz) 内的压力谱（与空化发射和行进冲击波相关）3、y = 1 mm），输入功率为 20 %、60 % 和 100 %。为了这项工作的清晰度和一致性，选择这个位置来表示和分析所有液体，因为它位于先前所示的超声波发生器的边缘[27]接收来自破裂气泡的不受干扰的冲击发射。对于每个图，压力是 60 个信号（每个 2 ms 的收集时间）的平均值，插图显示了所需峰值范围内的放大部分。在所有输入功率下，水和乙醇水溶液均观察到明显的峰值。相比之下，乙醇记录到弱且难以区分的峰，而甘油则根本没有峰。在水中，输入功率为 20%、60% 和 100% 时，峰值频率分别为 3.32 MHz、3.35 MHz 和 3.34 MHz，表明输入功率并未真正影响该频率。乙醇-水溶液的相应值为 3.41 MHz、3.43 MHz 和 3.43 MHz。对于这个解决方案，在所有输入功率下都捕获到主峰向更高频率的明显转变，表明液体环境的潜在影响。在大多数研究案例中，甘油没有显示峰值（可能是由于冲击波的衰减）。

  图 1.

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  先前的研究[39]、[40]、[41]也集中于检测从气泡云发出的冲击波，以使用不同的水听器了解它们在整个频谱上的光谱特征。尽管取决于实验条件和水听器的特征（例如空间灵敏度、带宽等），声发射可以包含部分或全部频率分量。次谐波、超谐波和宽带（白）噪声谱峰对应于混沌、不对称振荡气泡的发射以及瞬态破裂气泡发出的冲击波。另一方面，稳定振荡的气泡可能不会产生宽带噪声，而是产生明显的峰值，如图所示[42]、[43]、[44]。然而，由于技术限制，上述研究中用于捕获声发射的水听器可能没有被充分设计用于检测冲击波发射。例如[41]，实验是使用工作频率为 1.075 MHz 的超声波源和标准的未校准水听器（因此缺少 MHz 频率下灵敏度变化的信息）进行的，同时使用模拟频谱分析仪来记录信号。与之前的研究类似，该频率峰值不是由稳定振荡或单次内爆引起的，而是由气泡和气泡云的累积崩溃引起的，并且冲击波发射的能量分布在整个频谱上，即从 kHz 到 MHz 范围，如所解释的在[27]中。具体而言，研究表明，只有一小部分能量导致了该峰值的升高，而大部分能量分布在整个宽带频率范围内。然而，该峰的存在可能是声波过程原位监测的一个重要特征，例如二维纳米材料的合成，如[9]所示。此外，我们研究中使用的FOH传感器在感兴趣的频率范围1-5 MHz内几乎具有线性灵敏度（参见[27]中的图S1），这意味着水听器本身不存在结构共振。一个有趣的观察是，冲击波的振幅还受到液体环境的影响，并且在较小程度上受到输入功率的影响。从图1可见水显示出最强的峰值强度，其次是乙醇-水溶液，压力峰值幅度下降约 40%，最后是乙醇，压力峰值幅度衰减近 90%，而与超声波发生器的振动幅度无关。

  为了观察不同输入功率在整个治疗域中的冲击传播，图 A2（附录中）显示了完整的图，表明所有传感器位置的四种测试液体中是否存在压力峰值。表 1显示了我们的实验图中（如图 A2）中包含压力谱中不同峰值的位置百分比。对于水，所有位置和所有输入功率的 100% 都观察到峰值，证实了之前的研究[27]。对于乙醇，我们在 20% 输入功率时在任何位置都没有观察到峰值，但随着输入功率的增加，所有位置的峰值增加到 62% 和 100%。对于乙醇水溶液，我们在所有输入功率下观察到约 85% 的传感器位置的峰值。然而，对于甘油，我们仅在 10%（20% 功率）和 4%（60% 功率）处观察到压力峰值，在 100% 位置处没有峰值。由于检测到峰值的可能性很小，我们避免对该液体的频率峰值进行任何直接分析，这可能会导致误导性的结论，因为由于液体的粘性性质，冲击波通过能量会快速衰减在此介质中的耗散。

  表 1.

  4 种液体和每种输入功率具有明显压力峰值的位置的百分比。

  	工作液
  输入功率	乙醇	以太坊	水	甘油
  输入功率：20%	0	84%	100%	10%
  输入功率：60%	62%	85%	100%	4%
  输入功率：100%	100%	87%	100%	0

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  甘油的这种特殊行为可能是由于冲击波所产生的能量快速衰减所致。大部分能量消散到大量液体中，导致传播的冲击波前部变宽，并且由于液体的粘性性质，冲击波强度的衰减很快，这也减少了完全发展的空化区的建立[44]。这可以通过在空化区周围并靠近超声波发生器尖端形成的气泡包络进一步增强，其中气泡内爆发出的冲击波前沿被缓冲和捕获[34]，[44]。因此，即使观察到冲击是尖锐的周期性峰值（图 3d)，它们的强度较低，并且可能以~3 MHz的频率到达传感器的尖端，且能量减弱，因此它们的强度不足以提高固有峰值（图2）。然而，它们会产生宽带噪声和低频，如表 2所示。对于表面张力最小的液体（例如乙醇），由于其蒸气压较大，空化气泡可能会存活较长时间[44]。因此，除了在源附近形成气泡云（由于蒸汽空化）之外，这些气泡在低（20％）输入功率下不会破裂（而是连续移动），并且通过阻挡来破坏冲击波的传播并吸收它们的能量，如[33]所示。此外，任何气泡周围的介质中的声速可能会因相邻气泡或气泡包膜的存在而减小（即，流体看起来是可压缩的）。基于图 A2 和表 1中的统计数据，因此可以解释为空化气泡破裂在乙醇中较弱，并且其行为与水和乙醇水溶液中的行为完全不同。而在甘油的情况下，气泡破裂会导致靠近喇叭尖端的强烈压力峰值[34]，但由于大的粘性能量耗散和受限的气泡成核，它们表现出较弱的空化状态[44]。

  图 3.

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  图2.

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  表 2.

  图 3中测量到的主峰和次峰频率及其在每种液体和输入功率中的标准偏差。

  力量	20%		60%		100%
  频率（千赫兹）	最大f	最小f	最大f	最小f	最大f	最小f
  乙醇	11.7±0.2	25.5±3	9.7±2.8	24.2±3.9	5.7±1.1	23.4±1.8
  以太坊	11.8±0.7	23.9±2.1	7.9±0.4	23.3±1.6	11.3±2	23.7±3.4
  水	11.9±0.6	23.4±3	7.2±1.2	21.9±2.2	9.5±2.5	25.3±4.1
  甘油	11.8±0.7	23.8±2.2	24.2±1.9	48.1±6.3	23.8±2.3	52.4±6.6

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  3.2.低频状态

  除了高频 (MHz) 的突出峰值之外，冲击波还与声学驱动的周期性气泡破裂发出的强次谐波信号相关，在频谱中表现出其双重起源。因此，我们现在将兴趣转向低频 (kHz) 频谱，在该频谱中观察到强烈的次谐波和超谐波峰值。为了确定超声波发生器尖端下方气泡云塌陷引起的周期性冲击波的作用，Song 等人进行了一项研究。[15]表明冲击波发射的能量对所有n值的频率 ( nf _sw ) 谱都有贡献。图2显示了与图 1相同的传感器位置（x  = -3，y  = 1 mm）的三个输入功率的空化发射的频率响应。每个图包括两个插图，放大了每种工作液体在低频率（kHz，顶部插图）和高频率（MHz，右插图）处观察到的光谱峰值。这里应该指出的是，图 2 kHz 范围内的压力值是使用 1 MHz 下的校准灵敏度获得的，因此这些图仅进行了定性评估和比较。

  输入功率为 20% 时（图 2a），声谱在次谐波、基波、超谐波和谐波处表现出明显的峰值，如nf ₀ /2（n  = 1, 2, 3, … n ）。可以看出，冲击波发射导致在驱动频率的每半(1/2 f ₀ )间隔处出现谱峰。这代表了冲击波的周期性特征[15]、[18]。驱动频率和谐波 ( nf ₀）似乎具有高压力振幅，因为传播的冲击波对主波场进行了散射，正如 Yusuf 等人先前观察到的那样。[18] .另一方面，观察到的高频谱峰（图 2，右插图）代表了冲击波的固有特征，如前所述[27]。有趣的是，在所有液体中，与高频频谱分析相反，甘油显示出非常明显的周期性峰，其振幅比其他液体高得多（~4 倍）。

  我们怀疑观察到的甘油峰值周期性可归因于驻波的形成（参见图4c 背景上的波印记以及相应的视频 2 和 3）加上过度施加的冲击波（参见图 3）在该位置（x  = -3，y  = 1 mm）传播，这是由于较小的空化区域提供了较低的空化屏蔽，并且由于粘度增加和蒸气压降低[ 34]，气泡破裂减弱[44] ]。水和乙醇水溶液表现出几乎相似的行为，而乙醇在所有宽带频率上表现出较弱的光谱响应。补充视频 1-4 显示了水、乙醇和甘油在 20% 输入功率下冲击波传播的代表性序列。很明显，水会产生大量的冲击波，这些冲击波在液体介质内传播很远。相反，甘油表现出一定量的周期性冲击波，这些冲击波似乎不会传播很远，因为它们在这种高粘度液体中迅速失去能量（请注意，它们在甘油中比其他液体传播得更快，因此相机可能无法捕获由于冲击波能量快速损失而导致的所有“昏厥”）。另一方面，乙醇产生的冲击波几乎可以忽略不计。因此，正如视频记录和报告中所见，这两种液体的 MHz 峰值受到抑制表 1和图 A2。此外，有趣的是，甘油中没有像预期那样形成气泡结构（因此靠近尖端的屏蔽效应较小），而在散装乙醇环境中形成了许多分散的气泡图案。请注意，在低频状态（周期性特征）的情况下，没有观察到峰的移动，这与高频峰在乙醇水溶液中的移动不同（图1）。这可能与介质中的声速（最有可能控制频移）有关，而不是与声源的频率有关。在低驱动振幅下，空化活动受到更多控制，因为周期性塌陷由超声波的基频（即 24 kHz）调节。

  图 4.

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  在 60% 输入功率（图 2b）下，我们观察到类似的行为，但是分谐波、基波、超谐波和谐波被观察为nf ₀ /3，即每 1/3 间隔发生一次气泡破裂驱动频率（另见表2）。最后，在 100% 输入功率（图 2c）下，我们观察到除甘油外的所有液体（与 20% 和 60% 相比）都有更多数量的次谐波和超谐波峰值。伴随着星团塌陷（以及激波发射）周期性的扭曲，导致不规则的光谱峰值。这种扭曲可能是非崩溃性通货紧缩发生率增加的结果[18]。先前已报道，在较高的输入功率下，水中的冲击波周期性在过渡（次谐波频率下的初级气泡云振荡）和非过渡输入功率上变得不那么占主导地位，这是由多波振幅变化引起的。正面冲击波提高了频谱中的本底噪声[18]、[45]。从图 3b中也可以看出这一点，其中水中的冲击峰（尤其是 100% 时）与稀疏的不规则高峰和低峰混合在一起。然而，主频率峰值周期性仍然与分谐波的上升相关（另见表2）。在这种高输入功率下，甘油仅表现出与较低输入功率相比强度较低的基波峰值和谐波。甘油在 60% 和 100% 功率下抑制次谐波和超谐波的原因可能是冲击波穿过气泡包络线时减弱[44]，尽管数量较多，如图 3 所示。d 和补充视频 3（60% 功率的甘油），并且高输入功率下的状态由基波决定。因此，具有低屏蔽效应（例如，低输入功率）的介质中的分谐波峰值以相似的间隔促进有规律的气泡破裂，而不管液体环境表现出相似的分谐波频率峰值模式。因此，这些状态下的气泡破裂受到来自源的基频和声强度的调节。

  甘油中的低频成分代表直接场发射和相关谐波的主要贡献。然而，次谐波分量的增加（例如 20% 的情况）以及在较高输入功率下捕获的任何超谐波表明周期性冲击波的贡献，如[15]中所述。。此外，每个谐波峰还代表非惯性（稳定振荡）空泡的贡献，并与包括驻波场特征的特定模态形状相关。由于介质的高粘度导致声波能量的快速阻尼导致叠加在驱动频率上的稳定空化气泡的振荡周期增加，并进一步促进谐波和超谐波频谱特征。

  3.3.压力分布

  声谱中周期性冲击波频率峰值的上升源自压力-时间域中观察到的冲击压力峰值的实时分布。我们在图 3中展示了四种工作液体和每种输入功率的给定信号的这些Pt图的代表。该图显示了每种情况下在 2 ms 持续时间的波形上间隔开的明显高（主要）和低（次要）压力振幅峰值。每种液体都表现出交替的主峰和次峰，其中主峰主要与不同频率间隔（即f ₀ /2、f ₀ /3 等）的初级周期性簇塌陷相关（其中f ₀是驱动频率），连接到喇叭尖端，发射除了甘油之外的次谐波频率的多锋面冲击波，其频率为 60% 和 100%（与入射波频率相关的主峰），如表 2所示。然而，次要峰值主要与驱动频率下的发射有关（除了与谐波相关的甘油外），子团和卫星团的进一步贡献来自远离尖端的空化云的塌陷，发射弱激波锋面，从而提高了超谐波和之前报道过的宽带频率[18]。冲击压力峰值之间的任何延长的持续时间都可能是由于未塌陷的通气或屏蔽造成的。输入功率的增加还导致时域和频域中的压力和频率峰值的数量分别增加。表2示出了由图3中观察到的主要峰值和次要峰值产生的冲击压力峰值的测量频率。

  在所有输入功率下，主要峰值和次要峰值在整个波形上似乎在时间上等距分布，其中主要峰值贡献次谐波频率，次要峰值贡献基频（参见表2）。还值得注意的是，在水和乙醇水溶液中，每大约 2-3 个声学周期就会观察到一个大的压力峰值，而在乙醇中，峰值更加不稳定，而在甘油中，峰值虽然较弱，但更加一致，并且与入射频率相对应。具体来说，根据图3对于所有液体，输入功率为 20% 时，每 2 个周期就会出现峰值。对于水、乙醇和乙醇-水液体，随着功率输入增加到 60% 和 100%，每 2-4 个周期重复一次塌陷（尽管 100% 的周期模式略有不规则），这意味着随着更多气泡形成，屏蔽效应随着功率的增加，在尖端下方（另见图5），而如前所述，可能会发生非崩溃性通货紧缩。对于甘油，输入功率增加到 60% 和 100% 时，主峰的出现大大减少，并且似乎被与基频和超谐波频率相对应的等距小峰所取代。显然，输入功率越高，与基频对应的压力峰值的数量就越多。这意味着每个声学周期（41.6 µs）都会发生规律的塌缩。根据图 5，这似乎是正确的由于在这些功率水平下，甘油中的屏蔽效应尚未完全形成，因此由于气泡包络，多个较低强度的冲击波正在散装介质中传播。此外，观察到的乙醇小频率（例如 100%）可能与大的长寿命乙醇剧烈脉动气泡有关（如之前在[44]中观察到的））以及液体中气泡云和单个气泡对冲击波的破坏，这些气泡阻止了冲击波的传播，从而增加了冲击波到达传感器尖端所需的时间（注意大的时间间隙）介于 60% 和 100% 乙醇的主峰之间）。但在20%功率时，由于空化区较弱，形成的气泡不多，波动剧烈，因此不会出现小频率（而只是规则的f ₀ /2）以及高频（MHz）峰值（由于强度峰非常弱，观察到图 1 a)。

  图 5.

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  我们还可以从表 2中推断出，在大多数情况下，主频率峰值似乎几乎是次要频率峰值的一半或三分之一（100% 功率下的乙醇除外，即f ₀ /4）。我们可以假设，提高主峰值的冲击波的周期性（次谐波或接近基频，如甘油在 60% 和 100% 功率的情况）可能是通过其相应的谐波提高主峰值的原因。小峰也是如此。另外，从表2也可以看出对于所有输入功率（尤其是 20%），大多数峰值都与次谐波的上升相关（60% 和 100% 的甘油除外），这意味着该频率范围内的冲击波有明显的贡献。因此，在屏蔽较少的低功率下，冲击波可以通过强烈的次谐波特征得到更好的解析。这也可以归因于表 2中的标准偏差，其中低输入功率时标准偏差保持较低，而输入功率较高时标准偏差增加，这意味着存在更多变（混乱）的空化状态（也如图2c 所示）。对于乙醇和甘油，冲击波很弱，对于甘油，它们衰减得更快，而对于水和乙醇水溶液，它们仍然很强，并提高了 MHz 峰值。

  次谐波和超谐波的出现也受到振荡频率和附着在超声波发生器尖端的气泡云的大小的影响。图 4显示了四种工作液体在三种不同功率下的空化气泡云的代表性快照（为了清楚起见，请参见相应的视频 5-8）。请注意，附着在尖端的气泡云通常在超声波发生器激活后大约 5-6 毫秒内形成[28]。可以看出，通常对于大多数液体，超声波发生器尖端下方的气泡云随着功率的增加而扩大，但甘油除外，气泡云收缩，形成粘性流并形成驻波。注意，当从超声换能器发射的入射声波在容器壁和/或液体表面处经历反射时，可以形成驻波图案。当超声波发射器和反射表面/壁之间的距离等于行波波长一半的倍数时，它们可以在任何液体介质中形成，该距离可以随容器中的液位而改变。随着驻波的形成，介质内声能没有定向传输，能量传输仅存在于波节和波腹处。

  对于乙醇（图4（i）），更多的卫星气泡簇分布在远离喇叭的地方。另一方面，不同液体中远离尖端的卫星气泡的大小不同，即乙醇中的气泡比水和乙醇水溶液中的气泡大（参见视频5、6和8）。

  以乙醇为例（视频 5），尽管 100% 输入功率时的次谐波和超谐波频率峰值比 20% 和 60% 时的次谐波和超谐波频率峰值更清晰且幅度更高（可能是由主输入功率的振荡频率引起的）气泡簇附着在喇叭尖端），由于长寿命气泡的体积分数大，也缓冲了传播的冲击波，因此整体气泡破裂较少。空化气泡动力学和声波传播的另一个重要因素可能是相变。空化气泡的存在降低了声波的传播速度，由于可压缩性，声波的传播速度会显着影响液体内的整体压力场，其中气泡破裂发出的激波前沿以接近声速的速度行进。当超声波在起泡液体内传播时，气泡往往会随之振荡。同时，由于气泡脉动，声能衰减和波速降低，这已通过基于线性波传播的理论模型得到证实，并且与实验观察结果非常吻合[46]、[47]、[48]、[49]。然而，据报道，在非线性波传播的情况下，衰减比线性波强得多。有效波速和衰减会随着液体中存在的蒸汽、气体或其组合混合物的量而变化。 。随着液体中空隙率的增加，相变导致的波速变化变得非常复杂。由于乙醇的高挥发性，空隙率随着超声输入功率的增加而增加，导致产生更长寿的气泡，以稳定的线性或非线性方式脉动，这极大地改变了冲击波的传播，如图所示在[50]中。可能这就是为什么冲击压力峰值更加不稳定，如图3所示，其中较小的峰值主要贡献驱动频率分量（参见表2）。

  水和乙醇水溶液在主团簇中表现出相似的空化行为，并随着输入功率的增加而增加。在乙醇-水溶液中，一种有趣的雾状形状主导了空化区，并且随着功率的增加而变得更加密集（参见图4和视频6中的乙醇-水）。然而，发现频率峰值的强度在大输入功率下较小，这意味着侵蚀性较小的空化环境，与水相比，许多微小气泡形成雾状图案，其中强度随着低频和高频功率的增加而增加。

  图 4中高速视频记录的定性结果表明，根据特性，每种液体与水、乙醇-水和乙醇的行为不同，会提高次谐波峰值（与冲击波有关）。水和乙醇水溶液的峰在空化行为中显示出类似的模式（图 3），但决定因素是溶液的雾状特征，这可能有利于与纳米材料剥离相关的过程（同时保持其质量和完整性），需要温和地去除微小气泡的角质[28]。

  空化引起的冲击波传播可以显着改变周围介质中的最大声压（或冲击压力）场。这已在图 5中进行了解释，其中我们通过所有四种液体和三种输入功率的最大压力与传感器位置的等高线图显示了整个空化区的冲击压力分布（对于 1-30 MHz 的校准范围）（附录中的图 A3 给出了相应的均方根 (RMS) 压力等值线图。对于每种输入功率下的每种液体，发现靠近超声波源尖端的区域的最大冲击压力要高得多，此处气泡云尺寸最大（见图4）），表明强烈的非线性惯性空化状态。然而，观察到冲击压力在靠近超声波发生器侧边缘处最大化，而不是在空化活动更严重的喇叭尖端中心下方。这之前被归因于空化屏蔽效应[27]、[51]。当我们远离超声波发生器时，空化（声学）屏蔽[44]、[52]、[53]还会导致空化区内的压力场急剧衰减。从视觉上看，屏蔽可以被识别为喇叭表面中心下方的最低压力区域，随着超声波发生器振动幅度的增加，该区域变得突出（见图5）a、b 和 c)。

  为了物理量化屏蔽效应并比较其对每种液体的相对响应，我们引入了一个称为屏蔽系数的术语，定义为源附近产生的最大冲击压力与本体中冲击压力的归一化比率的百分比液体远离源头（喇叭下方约 10 mm），相关数据如表 A2 所示。理想情况下，大的屏蔽系数意味着空化活动更大，超声波喇叭附近的气泡会破裂，从而增加更多冲击前沿缓冲/吸收的机会，从而增加散装液体中的大压力衰减。表 3显示了在 20%、60% 和 100% 输入功率下针对不同液体计算的屏蔽系数。

  表 3.

  每种输入功率下 4 种液体的屏蔽系数源自表 A2 的压力数据。

  力量	20%	60%	100%
  	屏蔽系数(%)
  乙醇	14.5	41	81.8
  以太坊	70	100	56.5
  水	21.2	88.6	96.7
  甘油	25.5	11.2	6.6

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  有趣的是，正如先前报道的[27]、[44]、[51]一样，随着输入功率的增加，屏蔽变得更加占主导地位，但甘油除外，它表现出相反的趋势。从表3还可以看出，在所有液体中，在60％输入功率时，乙醇水溶液的屏蔽系数最大，而在100％输入功率时，甘油的屏蔽系数最低，此时冲击波相当弱，并且由强基波决定。输入功率为 20% 时，乙醇（图 5a) 显示出最小的屏蔽系数。这可能与由于空化气泡的低表面张力和低粘度而产生的低能量内爆而产生的弱声压场有关（参见视频 1）。乙醇的屏蔽系数在 60% 功率时增加至 41%，在 100% 功率时增加至 82%。此外，在乙醇中，等高线图在低输入功率（20% 和 60%）下也非常不对称，并且可能与产生分散的气泡结构和剧烈振荡的卫星簇的气泡结构的高度不稳定性有关，而不是与复杂的气泡结构有关。具有多次倒塌事件的结构（参见视频 1 和 5）。相比之下，乙醇水溶液（图 5 c）显示出最大的屏蔽系数，为 20%，甚至超过了水（图 5）b).这可以归因于溶液中的乙醇含量，增加了其表面张力，因为乙醇产生许多微小的空化气泡，在超声波发生器下方形成雾状图案；这些可能会缓冲冲击波的传播（见图4 (ii)）。我们在很多场合都看到了气泡中表面张力的影响，例如[54]、[55]、[56]其中与乙醇类似的低表面张力值产生的气泡具有更长的生命周期、剧烈且不规则的气泡运动，从而防止强度减弱的定期塌陷。因此，具有较低表面张力的液体（如乙醇）与高蒸气压相相结合可能具有较小的攻击性行为，图 3a中的偶发冲击脉冲也反映了这一点。

  应该注意的是，屏蔽系数在 60% 功率时达到最大值，但在 100% 功率时下降 43.5%。这种意外的减少可能是由于远离源的雾状图案内形成的微小气泡的塌陷事件增加（声流更强大[36]将雾推开），从而促进更多的冲击传播到主体中，从而吸收较少。这种空化强度随输入功率增加而随后暂时下降的趋势也曾在[18]、[57]中出现过。由图5可知与所有输入功率的边缘相比，最大压力在超声波发生器中心以下 1 mm 处被显着抑制，这可能是由于形成了大的雾状图案。此外，除了甘油之外的所有液体，随着功率的增加，中心区域低压区的穿透深度向喇叭尖端延伸，这种穿透在乙醇水溶液中比其他液体更显着（图5） c).在除甘油之外的所有液体中，水（图 5b）显示屏蔽系数从 20% 功率增加到 60% 最大（约 300%）。然而，从 60% 功率到 100% 功率，屏蔽系数仅进一步增加约 9%，达到 96.7%。在甘油中（图5d)，我们观察到屏蔽效应最小，屏蔽系数随功率而降低，在 100% 功率时几乎达到 6.6%。这是预期的，因为喇叭实现了足够多的位移（打开声发射在主体中更深处传播的路径，而不是由于粘性而立即消失），能够在这种高粘性液体中产生扩展的空化区域，然而如前所述，气泡包络可能会减弱冲击波的强度。

  在水和乙醇的情况下，空化屏蔽是由导致气泡破裂的主导惯性力决定的。在乙醇-水中，屏蔽由高动量力决定，这表明空化气泡在靠近源处崩溃的敏感性很高，因此对来自雾状图案的周期性冲击波有更多的缓冲。甘油中的空化屏蔽由高粘性力决定（粘性显着主导表面张力）。后者与上述关于高输入功率下空化云的收缩和持续气泡包络的形成的讨论一致（见图4c（iii），视频7和表2））。占主导地位的粘性力也可能是甘油压力分布高度对称的原因。因此，尽管甘油内部冲击波的穿透深度可能是所有输入功率中最大的，但声谱曲线（图 1）中不存在清晰的频率峰值，这表明传播冲击波的能量耗散。如图 1所示，甘油中的宽带噪声在 1 – 4 MHz 频率范围内占主导地位，这表明冲击波对本底噪声的贡献而不是对 MHz 峰值的贡献。有趣的是，增加输入功率会降低靠近源的甘油的冲击压力，这与其他液体的情况相反。

  我们在这里注意到，任何潜在的共振对于气泡内爆产生的冲击脉冲的强度都不会发挥主要作用，如之前在[27]中看到的那样。在较低功率设置（即 20%）下，当声波在介质内不受阻碍地传播时，缺乏强空化活动有利于形成突出的基波峰和相应的谐波。行进的压力波将引起下游的流体运动[36]，然后形成在甘油中观察到的驻波模式（图4）。随着输入功率的增加，会过渡到发达的空化状态，从而导致传播的声波（图 2）和冲击波（图 2）产生强烈的散射和衰减效应。图3）。

  根据图 5中的压力图，我们可以观察到，对于所有液体来说，最有效的空化处理区域是超声波发生器尖端角落周围的区域，其中冲击压力更有效，甚至可以破坏漂浮的金属晶体[51 ]与超声波发生器下方的压降剧烈相比。

  根据等值线图（图 5 c），我们可以看到，在 100% 输入功率下，乙醇水溶液中的冲击压力比靠近超声波发生器的水中高出近 600 kPa。然而，这与图 1c形成鲜明对比，在图 1c 中我们看到频率峰值的压力幅度小了约 40%。这可能是由于形成了无数微小气泡（雾状图案），这些气泡剧烈脉动，提高了本底噪声（MHz 范围内的宽带噪声）。这可以在图 1c中得到证实，其中乙醇水溶液的空化宽带噪声在 1 – 3 MHz 范围内高于水中产生的噪声（见图1c中的绿线）。察纳基斯等人。[44]之前也观察到了这种趋势，即乙醇中由 20 kHz 源激发的长寿命脉动空化气泡导致 MHz 频率频谱的上升。因此，这种注入乙醇-水的溶液预计也会通过持续形成雾状微小气泡而产生 MHz 宽带噪声。因此，对称压力分布由 60% 输入功率下乙醇水溶液中产生的最大压力补充（图 5）c) 可以被视为屏蔽和获得的压力浪涌之间的权衡，即使 100% 功率时的屏蔽系数低于 60% 时的屏蔽系数。因此，中等输入功率的超声波（对于这种特定装置，采用 3 毫米超声波发生器）与这种注入液体的组合可以作为纳米剥离等应用的理想设置，在这些应用中需要强大的压力场和微小气泡的补充[28]、[58]。此外，由于这些压力等值线图是根据压力-时间曲线中的冲击压力峰值重建的，这对于控制声剥离中纳米材料的生产和质量非常重要[9]，[28]，雾状区域（有无数微小气泡振动）以及冲击压力浪涌可以在生态友好的液体环境中加速这一过程。为了比较不同液体中的压力分布，在图 1 和 2 中。在附录 A4 和 A5 中，我们显示了四种液体和五个垂直距离中的每一个的最大压力和 RMS 压力与（传感器与超声波发生器的）水平距离的分布。从这些图中可以明显看出，在靠近超声处理源的位置（y = 1 mm），水和乙醇水溶液中的压力大小（虽然彼此相当）明显大于其他两种液体。当我们远离超声波源时，正如预期的那样，我们观察到所有液体的压力显着下降。此外，增加输入功率通常会提高大多数位置的压力，特别是在源边缘，由于如上所述的屏蔽效应，除了超声波发生器正下方之外。

• 4. 结论

  在具有很大不同物理特性的 4 种不同液体环境中超声 (24 kHz) 暴露期间，空化泡破裂所表现出的冲击波动力学的时空演化表明：对于乙醇和甘油，几乎观察不到与冲击波发射相关的高频压力峰值（以 MHz 为单位），特别是在低输入功率下，但对于乙醇水溶液和水始终观察到，表明空化活动增加。我们还观察到，由于声速的变化，乙醇水溶液的高频峰值与水相比略有变化。不过，在低频 (kHz) 范围内没有观察到任何变化，因为突出的峰值是由声源的频率和幅度调节的。有趣的是，对于所有液体来说，与周期性冲击波相关的次谐波峰值在屏蔽效应较弱的低功率输入下很突出。研究的液体在周期性气泡云崩溃产生的冲击压力幅度和影响声场发展的传播冲击波前部的吸收/缓冲引起的屏蔽系数方面表现出明显不同的空化区特征。特别是，乙醇水溶液的高速图像显示出一种有趣的模式，即形成雾状空化区，并伴有最高压力分布。这种环境可用于需要有效处理的工艺，例如纳米材料的剥离。冲击压力分析表明，尽管雾状图案形成导致屏蔽系数较高，但在高输入功率下，乙醇水溶液中尖端附近的声场比水强得多，压力波动增加了 400-600 kPa 。声屏蔽对于功率为 60% 的乙醇水溶液最为显着，可防止大量液体深处的压力分布，而甘油几乎没有显示出屏蔽效果，这可能是由于其高粘度。在低粘度液体中（如水、乙醇和乙醇水溶液），表面张力和惯性力将决定空化动力学，从而有效提高频率峰值。然而，在甘油等高粘度液体中，粘性力将超过表面张力和动量力，从而导致频率峰值由于较大的能量耗散而被完全抑制。

  首次研究的结果验证了我们之前在[27]中提出的假设，即空化引起的冲击波确实可以根据液体环境产生 3 MHz 范围内的特定高频峰值。在技术背景下，我们简单的实验方法/技术提供了一种有效的方法来表征空化引起的冲击波发射，该方法可以作为监测各种规模工业系统中空化活动的计量工具，而其他替代方案（例如直接观察或数值模拟）模型失败。这对于材料、制药和食品加工行业以及物理和声化学界来说将是非常有益和特别感兴趣的。