题目：液体驻波声场空化特征实验研究

近年来，声空化应用范围不断扩大，使得空化研究成为国内外专家学者关注的焦点。由于空化声场的复杂性，加之其理论研究不够完善，尚未找到一种能准确描述空化情况及其特点的方法，从而为评价及利用空化带来了困难。因此对于空化的精确测量以及定量描述空化特征的参量是一个亟待解决的课题。鉴于此，本文以实验研究为主，主要对圆柱形反应器内的空化噪声进行了测量，并对反应器内空化泡的大小和数量分布进行探索性研究，以期更详细的了解空化声场的特性。
本文基于谱分析法对空化声场进行研究，选择水听器作为测量器件，利用频谱分析仪对圆柱形反应器中蒸馏水、自来水和20%盐溶液中的空化噪声进行了测量，并且根据空化噪声谱图中反映的信息统计出反应器内空化泡的大小和数量分布。通过大量的实验研究，主要得出以下结果：
(1) 在实验中，寻找到一种颗粒能够形象的描述驻波场的形成，并对颗粒在驻波声场中的运动规律进行分析。在驻波声场中，微小颗粒群受到声辐射压力和声流的共同作用，向速度波节即声压波腹处运动。对比微小颗粒在驻波声场中运动情况，获知空化泡在声流和声辐射压力的作用下大量聚集，小于共振半径的空化泡将在波腹处聚集，而大于共振半径的空化泡在波节处聚集。
(2) 对蒸馏水、自来水和20%盐水三种不同液体中的空化噪声信号进行功率谱分析，结果表明：自来水与蒸馏水的空化噪声谱图变化规律基本相似，随着输入电功率的逐渐增加，各个谱线对应的声压级值都呈现出先增大后减小的变化趋势，这说明并不是输入电功率越大，空化越强，而是存在一个最优输入电功率值。在20%盐水的空化噪声谱图中，当输入电功率为10W时，空化噪声谱图中的谱线数明显增多；当输入电功率为20W时，出现超高次谐波，盐水中空化特征明显区别于自来水和蒸馏水。另外，从三种不同液体空化噪声谱图的整体增减幅度来看，自来水、蒸馏水和20%盐水中空化声场的稳定性依次减弱。
(3) 通过频谱统计的方法对空化噪声谱进行分离，由基波声压级随输入电功率的变化曲线图可知：在三种不同液体中，声压波节处的空化阈值都要小于声压波腹处的空化阈值，说明在驻波声场中，空化较易在声压波节处发生。从相对谐波声级、相对分谐波声级和相对非线性总声级随输入电功率的变化曲线图可以看出：空化强度整体存在以下关系：20%盐溶液>自来水>蒸馏水，说明在输入电功率相同的情况下，20%盐溶液的空化较强，自来水次之，蒸馏水最小。
(4) 以蒸馏水为例，基于波节和波腹平面内的空化噪声谱图，统计出空化泡的大小与数量分布。结果表明：不考虑不同平面，计算出所有测量点的空化泡平均半径变化范围是90～150μm，其中平均半径约为130μm的空化泡占据了主要比例，客观的反映了声场能量的特征。空化泡的数量分布明显地依赖于声场强度，不同平面内空化泡的总数是不一样的，而且波节处的空化泡总数要多于波腹处的空化泡总数，表明在声压波节处较易发生空化现象。通过空化噪声谱反映的信息研究空化泡的数量和大小分布，使我们能够接近所需要空化泡大小的位置，识别出空化泡的高密度集中区，进而为衡量声化学反应器的优劣提供标准。