声空化泡动力学及其测量

　　超声波进入液体, 导致内部压力起伏, 有些超过静态压力, 也有些低于静态压力, 其中低于静态压力的, 称为负压. 在液体的负压区域, 结构中的缺陷(空化核)会逐渐成长, 形成肉眼可见的微气泡, 这就是声空化. 对理想的无缺陷液体理论上超声也能破坏它的分子键链, 形成空化, 但是所需声压在 10132.50×10⁵Pa量级^[1]. 所以常见的声空化强度不仅与驱动声压强度有关, 还与液体中存有的空化核数量有关. 由于表面张力的作用, 微气泡的形状几乎是球形的. 我们知道,外界对气泡做的功和它的体积变化有线性关系, 而和气泡半径不具有线性关系.所以, 描述气泡运动的Rayleigh气泡动力学方程是一个关于气泡半径的非线性方程[2]. 声空化微气泡的运动具有明显的非线性特征, 具体表现为缓慢的膨胀和急剧的压缩. 在 1.01325×10⁵Pa 量级的超声驱动下, 气泡的最大与最小半径之比可以达到10²的量级, 体积压缩比就是10⁶量级, 因此声空化泡具有很高的聚能能力.在压缩至最小半径前后, 空化泡内部有罕见的高温高压. 通常人们认为内部的最高温度和压力在数千K和数千个1.01325×10⁵Pa 量级^[3]. 这个高温高压使得超声清洗、超声粉碎等一系列应用成为可能, 也是声化学的工作基础. 当继续增大超声幅度, 空化泡内部的温度压力继续上升, 会导致光的辐射, 这就是 20 世纪 30年代发现的声致发光现象^[4]

　　. 人们实验测量了声致发光光谱, 发现这是一个带有原子特征谱线的连续谱. 由于当时的声致发光是大量随机产生的空化泡的破裂发光, 发光泡的动力学特征很难测量, 所以, 关于声致发光的研究没有取得实质性的进展. 1992 年,Gaitan 等人结合声悬浮在充分去气的水中, 实现了空间上定位、时间上周期的单一气泡声致发光, 常称为单泡声致发光^[5], 而过去的声致发光称为多泡声致发光^[4]. 与多泡声致发光的本质区别在于, 单泡声致发光是一种稳态的发光, 不是气泡破裂发光. 空间定位的稳态振荡发光为实验测量提供了必要的条件. 人们得到了发光气泡的半径演化曲线, 发现发光前气泡的能量密度提升了12个量级; 发光宽度在几十到几百皮秒之间^[6~8]; 光谱只有连续谱[9], 可以用黑体辐射曲线很好拟合, 谱温度在几万K; 发光相位在10 ¹¹量级上和声场保持同步, 但并不是严格周期的, 具有倍周期分岔[^10]、混沌^[11]等非线性特征. 长期以来,由于在单泡声致发光光谱中没有观察到原子线状光谱, 人们认为多泡和单泡声致发光在机理上是不同的. 最近, 人们在浓硫酸的 Ar 气体声致发光中, 观察到了Ar 原子特征谱线^[12,13], 但这种声致发光不是稳定的声悬浮气泡中观察到的; 同样,在 2001 年人们在极暗的声致发光中也曾观察到原子线谱[14], 但在通常意义下的稳态单泡声致发光光谱中至今仍未发现原子谱线. 尽管如此, 已经有更多的人相信, 单泡和多泡声致发光在机理上是有联系的, 很可能是相同的. 近几年, 关于声空化和声致发光领域最热的话题可能是声致聚变[^15~18]. 首先, Moss 等人在数值计算中, 提出了进一步提升空化泡内部高温高压实现轻核聚变的思想^[15]. 在2002 年美国 Oak Ridge 国家实验室的 Taleyarkhan 等人在发表了他们在氘代丙酮的强声空化实验中观察到了 2.5 MeV 中子等氘氘聚变的产物粒子[16]. 之后, 能否实现声致聚变成了物理学界的一个激烈争论的课题. 不久, 同一实验室的另一个研究组重复了 Taleyarkhan 等人的实验[16], 却得出了相反的结果^[17]. 但是 ,Taleyarkhan 等人并没有停止研究, 在2004年再次报道了他们更加可靠的声致聚变实验结果^[18]. 最近, 人们又在浓硫酸的声致发光实验中观察到极端高温高压的另一个证据——等离子体^[13].