气核密度分布的声学测量技术研究

    1引 言

    气核对空化的影响一直是空化界研究的一项重要课题，而对气核的有效、实时测量则是空化问题研究中的难点。实现气核测量能为定量分析气核含量对空化性能的影响提供依据。气核测量也是有效控制水筒中气核含量所需的手段。 不仅如此，气核测量对水声学中研究声波的传播有很重要的意义。气核测量技术在其它一些诸如海洋气象、海洋环境及生物医学等领域中都有重要应用。 研究人员在气核测量方面已经作了很多研究工作，目前的测核方法主要分为光学测核方法（包括光散射，图像技术和光全息），声学测核方法（包括声散射，衰减和传播），以及其它方法（包括 Venturi 管）。

    气核的声学测量方法最早可以追溯到 20 世纪四十年代，Wildt 和 Medwin 都先后发展了自己的气泡流中声传播理论[1-2]，并通过测量声衰减系数来得到气泡流中的气泡分布谱。 在过去的五十年里，很多研究人员都一直用 Wildt 的声学方法来测量微气泡分布谱，但这种方法在气泡密度分布不满足高斯分布时，误差较大[3]。

    1989 年，Commander 和 Prosperetti 推导出了线性声波在气泡流中的传播公式[4]。 DYNAFLOW 公司的 Duraiswami，Prabhukumar 和 Chahine 从 Commander 的理论出发， 对气核的声学测量方法进行了完善和改进[5]。 Duraiswami 用带约束条件的最优化方法[6]较好地解决了声学求逆过程中积分方程的病态问题。 2001 年该公司比较了用声学方法测得的气核分布与用摄像法测得的气核分布[7]，表明两种方法得到的结果比较接近。 2004 年该公司设计了一套完整的声学测核系统[8]。

    国外较早就对气核的声学测量技术进行了深入研究，理论和实践都得到了很大的发展，也形成了较为成熟的声学测核设备。 国外的研究表明，声学测核方法由于其经济性和操作的方便性，是一种实验室环境下颇有前途的测核方法。 国内在气核声学测核方面的研究却甚少，比如，新建成的大型空泡循环水槽具有一流的流场品质和试验条件， 但目前的试验水质中气核测试水平还停留在相当原始的状态，仅能从宏观上给出试验水体中空气含量的基本数值，精度较低，而且对气核的大小及分布规律则无法定量测量，更无法实时测量。 因此，需要建立一套气核含量测试方法，实时测量出试验水体中气核大小及密度分布。

    本文首先简单介绍了声学测核的原理， 从 Commander 的气泡流中复声速与气泡数量分布之间的关系出发，本文设计了包括硬件系统和基于 LabVIEW 的软件系统的声学测核系统。 最后，本文给出了有机玻璃小水箱中，电解丝电解产生的微气泡流中声学测核的结果以及图像显微方法测核结果，并给出了两者的比较。 试验结果表明，两种测核方法结果吻合较好。