单双泡超声空化噪声特性计算分析

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超声空化噪声指的是在超声空化泡形成,发展和溃灭过程中所产生的噪声。在空化泡的产生,成长至溃灭过程,都伴随着空化噪声,并且不同阶段空化噪声有不同声压值。单泡和双泡的空化噪声在相同阶段也有不同值。因此可以通过测量空化噪声来检测空化特性及其发展程度。同时,也可以为一些超声空化应用的降噪提供理论依据,如超声清洗的降噪。本文基于声空化几何模型,首先推导出单双泡空化动力学模型。接着将所推导的动力学方程进行变换,单泡动力学模型变换成二元一阶方程组,双泡动力学模型变换成四元一阶方程组。采用四阶龙格-库塔-分尔格方法,通过MATLAB语言编程计算,分析了水中空化泡的初始半径、声压幅值、超声频率这三个基本因素对单泡空化特性的影响。发现外加声压幅值和外加声场频率虽然对空化过程都有促进作用,但是效果不一样。增大幅值能够加深崩溃程度,但是崩溃时间有所延后。而增大频率能够促进空化进程,崩溃时间有所提前,但是使得气泡在较大的半径时崩溃。气泡初始半径对单泡空化进程只起到一个初始值作用,并不会促进或者阻碍空化过程。在对空化泡动力学模型进行计算仿真后,基于由Lighthill方程创建起来的单双泡空化噪声模型,在动力学模型计算仿真的基础上,通过MATLAB语言编程计算,分析了水中空化泡的初始半径、双泡间距、声压幅值、超声频率、双频超声等因素对单双泡空化噪声的影响。发现空化泡溃灭时空化噪声声压出现峰值。单泡和双泡空化噪声的基本特征不同。在相同的声场和相同的初始泡半径条件下,双泡的空化噪声声压峰值比单泡高出2-3个量级。泡的线度对空化噪声特性的影响很大,双泡间距对空化噪声特性的影响较小。超声幅值对空化噪声特性影响很大,而超声频率对空化噪声特性影响很小,双频超声对双泡空化噪声特性的影响可以忽略。
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