[发明专利]一种超声空化反应测量装置及基于时差法的测量方法

说明书

技术领域

本发明属于超声检测及分析技术领域，涉及一种通过测量超声传播时间差来测量超声空化强弱变化的方法。

背景技术

超声波的空化效应是指向液体中辐射声波时，在一定压强下液体中出现的微小气泡随着声压的变化做脉动、振荡，或伴随有生长、收缩以致破灭的现象。液体声空化的过程是集中声场能量并迅速释放且最终高速度崩裂的动力学过程。空化的产生过程发生时间极短(在数纳秒ns至微秒μs之间)，气泡内的气体受压后急剧升温，在其周期性震荡特别是崩溃过程中，会产生瞬态的极大的高温、高压，并使气泡内气体和液体界面的介质裂解。

对于超声空化效应的测量，传统的方法是通过一系列的物理、化学方法对空化效应进行测量，如物理上的次谐波法，化学的碘释放及电学法。随着科技的发展，出现了使用高速摄影与三维全息技术，形象地揭示与研究超声空化过程的方法。

(1)电学方法检测声空化

通常情况下，氮气与氧气是不发生化学反应的，但空化过程可以使溶于水中的氧气与氮气发生反应，形成NO，NO被氧化生成NO2，NO2与水发生反应生成硝酸和亚硝酸，反应如下：

2NO+O₂→2NO₂

2NO₂+H₂O→NO₂+HNO₃

该反应过程使水变成了电解液，电导率增大，通过检测电导率的变化，即可研究声空化的情况。

对于浓度为c的低浓度强电解质溶液，其电导(σ)与浓度近似成正比，即σ∝c，在短时间内，超声辐照只产生少量硝酸与亚硝酸，故满足上述近似条件。此外假设每次空化产生的离子相等，那么σ将与空化次数(n)呈线性关系，σ＝σ₀+kn，即σ-σ₀＝kn，通过空化事件次数(n)，即可研究声空化规律。

(2)用荧光光谱技术检测·OH

对苯二甲酸水溶液是非荧光性物质，但是当其与·OH相结合，便形成稳定的强荧光性物质羟基对苯二甲酸根离子，而在超声空化过程中可以产生·OH，所以通过检测溶液的荧光强度即可对空化进行研究，

(3)碘释放法

超声空化过程中，KI水溶液中的KI氧化生成单质碘，加入少量CCl₄，使其大量析出。有关化学反应如下：

2·OH→H₂O₂

H₂O₂+2KI→I₂+2KOH

CCl₄+H2O→Cl₂+CO+2HCl

2HCl+[O]→Cl₂+H₂O

2KI+Cl₂→2KCl+I₂

加入淀粉使碘呈兰色，硫代硫酸钠滴定，直至溶液恢复成无色。反应如下：

I2+淀粉(呈兰色)

I₂+2Na₂S₂O₃→2NaI+Na₂S₄O₆(兰色消失)

通过检测Na₂S₂O₃的量可以确定I₂的析出量，进而得出空化强度。

(4)高速摄像法

该测量方法是利用高速相机实时记录二维图像。这种方法不仅可以测量气泡大小(如半径)，还可以得到气泡的实际形状。但是实时拍摄仍然存在许多难以克服的困难：由于气泡很小，必须在气泡和相机之间加上一个显微镜。经显微镜放大后，导致相机的进光量就显著减少；此外，由于空化泡的高速振荡，要求相机的曝光时间越短越好，起码要＜1μs，这就要求相机具有极高的灵敏度。目前，国外有使用10MHz的高速摄像机来记录空化泡的运动的，这种相机代表着当前最高技术水平，导致该方法的成本较高。

(5)声致发光成像法

研究表明，空化气泡在坍塌的瞬间，气泡内会产生极高的压强与温度，从而发射出一种弱光，即声致发光。当超声的频率、声强、液体的温度等条件发生变化时，声致发光强度就会发生显著的变化，通过观察液体中发光区域的变化和分布，分析液体中空化的变化情况，和其他测量超声空化的方法相比这种方法操作简单，更清晰、更直观、更形象。