声波在双层不同空化阈值液体中的不对称传播

发布时间：2019-07-20 21:40

【摘要】：介绍了在由双层不同空化阈值的左右液体、通过透声膜耦合而成的一维传声系统中,实现声能量不对称传输的物理机理及参数相关性.由于左右液体的空化阈值不同,导致超声波在左-右和右-左传播的空化效应不同,出现了声能量传输的不对称性.该系统无需精心设计,易于实现.在理论上,基于两相流体理论提出了描述声空化液体中声场分布的动力学模型.数值计算表明这种能量传输不对称性与驱动声压和两种液体的空化阈值有关,且在一定条件下整流方向会出现反向.实验中建立自动控制逐点声压测量系统,研究了不同空化阈值液体组合中不同驱动下的声压幅值分布,证实了上述声能量传输不对称性的存在.本文的设想为实现声波单向传输提供了一种新的思路.
【图文】：
图１系统原理图Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ

能量传输现象，即热整流现象［２］．之后，声波能量的不对称传输现象，即声二极管也被发现，并得到了实验的支持［３］．人们通过数学等效的ＬＣ传输线电路，对热整流现象进行实验研究，结果也支持了先前数值模拟的结果［４］．这些能量不对称传输系统通常都是精心设计和构造的．本文给出一个简单的一维相互耦合的左右液体系统，当强超声通过该系统时，也能显示出声波能量传输的不对称性，这种不对称性与输入声波的强度以及液体的性质有关．１原理介绍不对称声能量传输系统原理如图１所示．设有左右两种液体，其空化阈值（Ｑ）不同，分别为ＱＬ和ＱＲ，设ＱＬ≥ＱＲ．为了便于分析，，假设左右液体的其他物理性质相同，如密度、黏度、声速等，即ρＬ＝ρＲ、μＬ＝μＲ、ｃＬ＝ｃＲ．驱动声压Ｐ＝ＰＬ＝ＰＲ．当声波由左端向右端传输时（Ｌ－Ｒ传输），声压始终低于空化阈值，所以空化不会发生，不存在空化泡导致的衰减，所有的衰减由溶液本身以及容器壁的吸收引起．当声波由右端向左端传输时（Ｒ－Ｌ传输），由于ＱＲ远小于ＰＲ，右侧液体中将发生强烈空化，空化泡的屏蔽作用［５］引起声能量迅速衰减［６－７］，并且会产生大量高次谐波［８－９］．当声波传播至左侧液体中后，虽然不会发生空化，但由于高频声波的衰减速度更快［１０－１１］，声能量会继续以高于声波Ｌ－Ｒ传输时在左侧无空化区域中的衰减速度衰减．因此，当声波传播方向不同时，其声场分布与输出声压均不相同．将这种现象称为声波的不对称传输．图１系统原理图Ｆｉｇ．１Ｓ

第１期王寻等：声波在双层不同空化阈值液体中的不对称传播图３驱动声压为１．０ｂａｒ时χ随ＱＬ和ＱＲ的变化关系Ｆｉｇ．３ＣｈａｎｇｅｓｏｆχｔｏＱＬａｎｄＱＲｗｈｅｎｔｈｅｄｒｉｖｉｎｇｓｏｕｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｉｓ１．０ｂａｒ３实验系统为了验证上述设想，设计如下实验系统（图４）．实验采用横截面０．０９ｍ×０．０９ｍ，长度０．２ｍ的方形玻璃容器．容器的左右端面为图４实验系统Ｆｉｇ．４Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｙｓｔｅｍ厚度０．５ｍｍ的不锈钢薄板，将两个超声换能器（４０Ｗ，４０ｋＨｚ）分别粘贴在不锈钢薄板的外侧．使用透声薄膜将容器分为长度相等的两个部分，并分别装入不同空化阈值的液体．容器内壁贴有吸声材料以减弱容器内壁对声波的反射［１７］．在实验过程中使用微型水泵通过进水口和出水口控制液体循环，使得液体性质在实验过程中保持不变．构造了一个自动控制系统以快速精确地测量声场．计算机通过ＧＰＩＢ接口控制信号发生器（３３２５０Ａ，Ａｇｉｌｅｎｔ，ＵＳ）输出４０ｋＨｚ正弦波信号，再经过功率放大器（２７１６，Ｂ＆Ｋ，Ｄｅｎ－ｍａｒｋ）放大并进行阻抗匹配后驱动超声换能器．两个换能器的工作状态由单刀双掷开关控制．导轨１与容器平行放置，导轨２垂直固定在导轨１的滑块上．计算机通过串口发送指令至电机控制电路驱动上述两根导轨，以此控制安装在导轨２滑块上的水听器（ＴＣ４０１３，ＲＥ－ＳＯＮ，Ｄｅｎｍａｒｋ）沿容器内换能器中心轴线移动以测量声压．需要注意的是，当水听器从一侧液体移动
【作者单位】：南京大学声学研究所和近代声学教育部重点实验室;
【基金】：国家自然科学基金(11574150;11334005)
【分类号】：O422

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