射频功率放大器在超声空化与声致发光实验中的应用-电子发烧友网

实验名称：单气泡声致发光实验

研究方向：声空化研究的转机出现在1989年，美国华盛顿大学博士生盖特因与其导师克拉姆发现了单气泡声致发光现象，就是空化气泡只有一个，而且发光。这大大简化了问题，从此对声致发光以及空化现象的认识大大提高，超声空化，是指当超声波能量足够高时，存在于液体中的微小气泡（空化核）在超声场的作用下振动、生长并不断聚集声场能量，当能量达到某个阈值时，空化气泡急剧崩溃闭合的现象，化气泡的寿命约0.1μs，它在急剧崩溃时可释放出巨大的能量，并产生速度约为110m/s、有强大冲击力的微射流，使碰撞密度高达1.5kg/cm2。空化气泡在急剧崩溃的瞬间产生局部高温高压（5000K，1800atm），冷却速度可达109K/s。超声波这种空化作用大大提高非均相反应速率，实现非均相反应物间的均匀混合，加速反应物和产物的扩散，促进固体新相的形成，控制颗粒的尺寸和分布。利用超声空化产生冲击波和高速射流可以击碎结石，进行无创手术。生物体主要成分是水，所以在人体组织内也可以产生空化效应。人们尝试利用超声空化产生局部高温杀死癌细胞。超声空化可以提高中药萃取效率。最近，人们把药装在人工微气泡内服用或注射，然后在需要释放药物处加上超声，使微气泡破裂释放药物，就好像激光制导导弹，大大减少副作用。还有一项技术是，利用超声空化给细胞打孔，使药物渗入，提高效率。

有些化学反应常温下进度缓慢，需要催化剂或加热。化学家们发现在很多情况下超声空化可以起催化作用，那些可达到高温高压的声空化气泡起关键作用。同时在军事领域也有应用，在鱼雷或潜水艇周围产生超气泡，减少阻力，大大提高速度。潜艇被声纳追踪，如何摆脱？陆地上我们通过释放烟雾，阻碍敌人视线。而在海上，我们可以利用气泡幕阻碍声波探测，从而扰乱敌人的监视。超声空化也可能应用于管道清理，比如石油管道。

实验目的：验证声致发光，为后续实验做论证和铺垫。

测试设备：射频功率放大器、信号发生器、示波器、压电陶瓷、圆底烧瓶、高速摄像机等。

实验过程：100mL左右的球形烧瓶装满水，水是经过特殊处理的，就是把溶于水中的空气排除掉。烧瓶两侧用环胶粘上压电陶瓷。信号发生器产生激励信号，通过射频功率放大器放大从而驱动压电陶瓷，激发出超声波。调节信号频率使烧瓶产生共振，其中心成为超声驻波波腹。用针管注入一个气泡，气泡会在声压作用下静止在驻波波腹。小心调节声强，关上灯，黑暗中裸眼可以观察到蓝白色的光点，就像夜空中的星星。

图1-1单气泡声致发光实验框图

实验结果：实验室中可以测量单气泡声致发光光谱，光谱似乎与黑体辐射谱相像。计算表明，温度越高轫致辐射的贡献越大，光谱呈现连续谱特征；温度相对不太高时，原子或分子线谱成分增大。一般在声致发光温度区域，轫致辐射以短波为主，所以，亮气泡发光呈现蓝白色，而惰性气体原子线谱主要集中在低频波段，所以暗气泡通常带有红色。若液体是钠盐溶液，气泡内可能溅进钠原子，激发钠双线，因而有时气泡还会呈现黄色。通过观察声致发光光谱或观察气泡颜色，可以估计气泡温度大致高低。实验发现，在水中大量空化气泡一起发光时，光谱中线谱成分占优，

而单气泡声致发光光谱多数情况是连续谱，以此可以推断，单气泡情形，其达到的高温远高于多气泡发光时其中个体气泡能达到的高温。浓硫酸与水的情况有些区别，图2-2是浓硫酸中空化氙气泡发光照片，读者可以比较图2-1和图2-2，注意图2-1中只有一个氩气泡，而图2-2中却是由成千上万个氙气泡组成。近期的理论研究表明，多气泡情形，气泡之间的相互作用其实是抑制空化强度，所以，此时气泡压缩过程受到其他周围气泡的牵制，剧烈程度减弱，气泡内部达到的高温自然比单气泡情形较低。