實(shí)驗名稱：單氣泡聲致發(fā)光實(shí)驗

　　研究方向：聲空化研究的轉(zhuǎn)機(jī)出現(xiàn)在1989年，美國華盛頓大學(xué)博士生蓋特因與其導(dǎo)師克拉姆發(fā)現(xiàn)了單氣泡聲致發(fā)光現(xiàn)象，就是空化氣泡只有一個，而且發(fā)光。這大大簡化了問題，從此對聲致發(fā)光以及空化現(xiàn)象的認(rèn)識大大提高，超聲空化，是指當(dāng)超聲波能量足夠高時，存在于液體中的微小氣泡（空化核）在超聲場的作用下振動、生長并不斷聚集聲場能量，當(dāng)能量達(dá)到某個閾值時，空化氣泡急劇崩潰閉合的現(xiàn)象，化氣泡的壽命約0.1μs，它在急劇崩潰時可釋放出巨大的能量，并產(chǎn)生速度約為110m/s、有強(qiáng)大沖擊力的微射流，使碰撞密度高達(dá)1.5kg/cm2。空化氣泡在急劇崩潰的瞬間產(chǎn)生局部高溫高壓（5000K，1800atm），冷卻速度可達(dá)109K/s。超聲波這種空化作用大大提高非均相反應(yīng)速率，實(shí)現(xiàn)非均相反應(yīng)物間的均勻混合，加速反應(yīng)物和產(chǎn)物的擴(kuò)散，促進(jìn)固體新相的形成，控制顆粒的尺寸和分布。利用超聲空化產(chǎn)生沖擊波和高速射流可以擊碎結(jié)石，進(jìn)行無創(chuàng)手術(shù)。生物體主要成分是水，所以在人體組織內(nèi)也可以產(chǎn)生空化效應(yīng)。人們嘗試?yán)贸暱栈a(chǎn)生局部高溫殺死癌細(xì)胞。超聲空化可以提高中藥萃取效率。最近，人們把藥裝在人工微氣泡內(nèi)服用或注射，然后在需要釋放藥物處加上超聲，使微氣泡破裂釋放藥物，就好像激光制導(dǎo)導(dǎo)彈，大大減少副作用。還有一項技術(shù)是，利用超聲空化給細(xì)胞打孔，使藥物滲入，提高效率。

　　有些化學(xué)反應(yīng)常溫下進(jìn)度緩慢，需要催化劑或加熱。化學(xué)家們發(fā)現(xiàn)在很多情況下超聲空化可以起催化作用，那些可達(dá)到高溫高壓的聲空化氣泡起關(guān)鍵作用。同時在軍事領(lǐng)域也有應(yīng)用，在魚雷或潛水艇周圍產(chǎn)生超氣泡，減少阻力，大大提高速度。潛艇被聲納追蹤，如何擺脫？陸地上我們通過釋放煙霧，阻礙敵人視線。而在海上，我們可以利用氣泡幕阻礙聲波探測，從而擾亂敵人的監(jiān)視。超聲空化也可能應(yīng)用于管道清理，比如石油管道。

　　實(shí)驗?zāi)康模?/strong>驗證聲致發(fā)光，為后續(xù)實(shí)驗做論證和鋪墊。

　　測試設(shè)備：射頻功率放大器、信號發(fā)生器、示波器、壓電陶瓷、圓底燒瓶、高速攝像機(jī)等。

　　實(shí)驗過程：100mL左右的球形燒瓶裝滿水，水是經(jīng)過特殊處理的，就是把溶于水中的空氣排除掉。燒瓶兩側(cè)用環(huán)膠粘上壓電陶瓷。信號發(fā)生器產(chǎn)生激勵信號，通過射頻功率放大器放大從而驅(qū)動壓電陶瓷，激發(fā)出超聲波。調(diào)節(jié)信號頻率使燒瓶產(chǎn)生共振，其中心成為超聲駐波波腹。用針管注入一個氣泡，氣泡會在聲壓作用下靜止在駐波波腹。小心調(diào)節(jié)聲強(qiáng)，關(guān)上燈，黑暗中裸眼可以觀察到藍(lán)白色的光點(diǎn)，就像夜空中的星星。

　　圖1-1單氣泡聲致發(fā)光實(shí)驗框圖

　　實(shí)驗結(jié)果：實(shí)驗室中可以測量單氣泡聲致發(fā)光光譜，光譜似乎與黑體輻射譜相像。計算表明，溫度越高軔致輻射的貢獻(xiàn)越大，光譜呈現(xiàn)連續(xù)譜特征；溫度相對不太高時，原子或分子線譜成分增大。一般在聲致發(fā)光溫度區(qū)域，軔致輻射以短波為主，所以，亮氣泡發(fā)光呈現(xiàn)藍(lán)白色，而惰性氣體原子線譜主要集中在低頻波段，所以暗氣泡通常帶有紅色。若液體是鈉鹽溶液，氣泡內(nèi)可能濺進(jìn)鈉原子，激發(fā)鈉雙線，因而有時氣泡還會呈現(xiàn)黃色。通過觀察聲致發(fā)光光譜或觀察氣泡顏色，可以估計氣泡溫度大致高低。實(shí)驗發(fā)現(xiàn)，在水中大量空化氣泡一起發(fā)光時，光譜中線譜成分占優(yōu)，

　　而單氣泡聲致發(fā)光光譜多數(shù)情況是連續(xù)譜，以此可以推斷，單氣泡情形，其達(dá)到的高溫遠(yuǎn)高于多氣泡發(fā)光時其中個體氣泡能達(dá)到的高溫。濃硫酸與水的情況有些區(qū)別，圖2-2是濃硫酸中空化氙氣泡發(fā)光照片，讀者可以比較圖2-1和圖2-2，注意圖2-1中只有一個氬氣泡，而圖2-2中卻是由成千上萬個氙氣泡組成。近期的理論研究表明，多氣泡情形，氣泡之間的相互作用其實(shí)是抑制空化強(qiáng)度，所以，此時氣泡壓縮過程受到其他周圍氣泡的牽制，劇烈程度減弱，氣泡內(nèi)部達(dá)到的高溫自然比單氣泡情形較低。

　　圖2-1濃硫酸（85%）中單個氬氣泡聲致發(fā)光

　　圖2-2大量空化氙氣泡聲致發(fā)光形成火焰狀圖案

　　?射頻功率放大器推薦：ATA-8202

　　圖：ATA-8202射頻功率放大器

　　工作模式：ClassA

　　工作頻率：100kHz~20MHz

　　P1dB輸出功率：100W

　　飽和輸出功率：200W

　　功率增益：47dB

　　應(yīng)用：無損檢測、聲動力治療、聚焦超聲、超聲霧化、藥物控釋、超聲醫(yī)療測試、細(xì)胞腫瘤消融

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