聲致發(fā)光溫度與壓力研究進(jìn)展

摘 要：聲致發(fā)光是聲空化過程中的一種特殊現(xiàn)象，是由于氣泡崩塌時(shí)所產(chǎn)生的光發(fā)射現(xiàn)象。其所包含的物理機(jī)制對聲化學(xué)、核物理、流體力學(xué)等方面的研究起著至關(guān)重要的作用。但目前對于聲致發(fā)光過程中空泡內(nèi)局部產(chǎn)生的高溫、高壓等極端物理?xiàng)l件的測量結(jié)果差值較大，仍未得到統(tǒng)一結(jié)論。因此，該文從多泡聲致發(fā)光（MBSL）和單泡聲致發(fā)光（SBSL）2個(gè)方面，綜述了MBSL和SBSL的主要作用機(jī)理和區(qū)別，以及幾種認(rèn)可度較高的溫度和壓強(qiáng)的測量研究方法。

關(guān)鍵詞：聲致發(fā)光；高溫高壓；壓強(qiáng)測量；溫度測量；聲空化

中圖分類號：O482.31" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " " 文章編號：2095-2945（2023）19-0015-04

Abstract： Sonoluminescence is a special phenomenon in the process of acoustic cavitation， which is caused by the light emission caused by bubble collapse. Its physical mechanism plays an important role in the study of sonochemistry， nuclear physics， fluid mechanics and so on. However， at present， there is a large difference in the measurement results of extreme physical conditions such as high temperature and high pressure in the process of sonoluminescence， and a unified conclusion has not been obtained. Therefore， from two aspects of multi-bubble sonoluminescence （MBSL） and single-bubble sonoluminescence （SBSL）， this paper summarizes the main action mechanism and difference between MBSL and SBSL as well as several methods for measuring temperature and pressure with high recognition.

Keywords： sonoluminescence; high temperature and high pressure; pressure measurement; temperature measurement; acoustic cavitation

空化是指強(qiáng)超聲引起的局部瞬時(shí)壓力的迅速下降，或諸如船舶螺旋槳周圍的水動力運(yùn)動并在液體中產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象[1]。在超聲波的負(fù)壓區(qū)域，氣泡膨脹是由于氣泡內(nèi)部的壓力大于氣泡外部的液體壓力；在超聲波的壓縮階段，氣泡破裂是因?yàn)闅馀萃獠康囊后w壓力大于氣泡內(nèi)部的壓力?？张莸臐缤鶗殡S著高溫、高壓[2]、微射流[3]和沖擊波[4]等現(xiàn)象，其中關(guān)于空泡潰滅產(chǎn)生的高溫、高壓現(xiàn)象至今未有定論，有關(guān)溫度和壓力的精確數(shù)值同樣是未知數(shù)，因此關(guān)于聲空化產(chǎn)生的瞬態(tài)高溫，以及高壓的測量和研究方法是本文關(guān)注的重點(diǎn)。

關(guān)于聲致發(fā)光現(xiàn)象空泡內(nèi)部的溫度、壓力研究方式主要涉及3大類：第一類是通過建立仿真模型以及計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算；第二類是利用聲化學(xué)法測量；第三類則是通過單泡聲致發(fā)光（SBSL）和多泡聲致發(fā)光（MBSL）的發(fā)射光譜進(jìn)行泡內(nèi)溫度和聲壓的估算。因此，本文針對空泡聲致發(fā)光測溫測壓方式的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，為聲致發(fā)光的測溫測壓研究作進(jìn)一步的參考。

1" 聲致發(fā)光現(xiàn)象

1.1" SBSL和MBSL

聲致發(fā)光是指液體中的氣泡在超聲波的輻照下發(fā)生崩塌從而產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象。單泡聲致發(fā)光（SBSL）是單個(gè)氣泡在駐波壓力波腹處穩(wěn)定搏動，壓力驅(qū)動下進(jìn)入高度非線性振蕩，并發(fā)出短暫的寬頻帶光，圖1為單泡聲致發(fā)光現(xiàn)象[5]。

多泡聲致發(fā)光（MBSL）是由超聲波照射液體中的許多氣泡產(chǎn)生的聲致發(fā)光[6]，圖2為高靜水壓力下空化泡團(tuán)聲致發(fā)光現(xiàn)象。空化場致發(fā)光（MBSL和SBSL）都起源于激發(fā)態(tài)分子的發(fā)射，由于MBSL氣泡內(nèi)部的壓力和溫度低得多，所以這種發(fā)光并不會熄滅[7]。

1.2" 空泡內(nèi)的高溫、高壓

聲空化是一種基本的聲致發(fā)光機(jī)制，氣泡破裂的瞬間產(chǎn)生巨大的能量聚集，通過估算，產(chǎn)生的能量可以高達(dá)12個(gè)數(shù)量級，內(nèi)爆空腔中包含的材料所經(jīng)歷的溫度和壓力可以分別達(dá)到超過幾千度和數(shù)萬巴的值[8]。在一定條件下，能量濃度足以從氣泡內(nèi)部產(chǎn)生光發(fā)射，稱為聲致發(fā)光[6]；能量密度高到足以產(chǎn)生寬帶紫外線，同樣也高到足以產(chǎn)生等離子體的程度[9]。這些極端物理?xiàng)l件在化學(xué)、材料學(xué)、能源和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。但有關(guān)其高溫、高壓的研究和測量仍處于起步階段，需進(jìn)行不斷探索和完善。

2" 聲致發(fā)光的溫度、壓力研究

2.1" 聲致發(fā)光的溫度研究

2.1.1 單泡聲致發(fā)光（SBSL）溫度研究

SBSL氣泡潰滅時(shí)，氣體原子和氣泡內(nèi)分子形成具有寬帶光子光譜的等離子體[10]。Bernstein等[11]建立了基于流體結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)和受限電子發(fā)射的硬球模型，利用該模型預(yù)測了200～700 nm光譜窗口發(fā)射過程中的有效溫度在20 000～60 000 K之間。Yasui[7]基于氣泡坍縮的準(zhǔn)絕熱壓縮模型，對氣泡和氬氣氣泡在單氣泡聲致發(fā)光條件下的輻射過程進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，相同條件下，氬氣泡內(nèi)最高溫度達(dá)到了14 500 K遠(yuǎn)大于普通氣泡的最高溫度6 400 K。

對于光譜測溫法，通過在反應(yīng)系統(tǒng)中添加惰性氣體以及強(qiáng)酸溶液可以顯著提高輻射功率，并且有利于通過發(fā)射光譜進(jìn)行溫度測量[12-13]。Flannigan等[14-16]利用濃硫酸溶液SBSL光譜中的原子（Ar）發(fā)射和廣泛的分子（SO）和離子（O＋２）對SBSL的發(fā)射光譜進(jìn)行測溫研究，不同條件下測得的Ar發(fā)射溫度為：在2.3 bar下，8 000±1 000 K；在2.5 bar下，10 700±1 300 K；在2.8 bar下，15 200±1 900 K。

2.1.2 多泡聲致發(fā)光（MBSL）溫度研究

多泡聲致發(fā)光溫度測量主要分為2大類：動力學(xué)法測溫、光譜分析法測溫。

Suslick[17]利用動力學(xué)方程測量多泡空化過程中的溫度，并采用比較速率測溫法計(jì)算得到氣相反應(yīng)區(qū)的有效溫度為5 200±650 K，液相的有效溫度約為1 900 K。之后，Hart等[18]在不同含量的甲烷和乙烷氬氣環(huán)境中，通過甲基自由基重組的動力學(xué)方式進(jìn)行多泡空化的溫度測量，測得含氬氣的氣泡溫度約為2 800 K，而純甲烷環(huán)境內(nèi)空泡的溫度為2 000 K。Tauber等[19]對揮發(fā)性底物叔丁醇在水溶液中超聲分解的產(chǎn)物進(jìn)行研究，經(jīng)過推算泡內(nèi)溫度可達(dá)到約3 600 K。Misik等[20]利用動力學(xué)同位素效應(yīng)的半經(jīng)典模型，計(jì)算得出空化泡內(nèi)溫度范圍在1 000～4 600 K。最近，Merouani等[21]通過氣泡潰滅的動力學(xué)與氣泡產(chǎn)生高溫的化學(xué)動力學(xué)相結(jié)合的方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果估計(jì)潰滅氣泡內(nèi)的溫度約為5 000 K。

Flint等[22]用激發(fā)態(tài)C2的聲致發(fā)光發(fā)射光譜作為溫度探針，通過合成光譜與觀測光譜的對比表明，超聲輻照硅油的有效空化溫度為5 075±156 K。由于金屬原子的電子激發(fā)和隨后的輻射弛豫導(dǎo)致在MBSL光譜中觀察到強(qiáng)烈且分辨率良好的發(fā)射線，Mcnamara等[23]和Alkemade等[24]使用金屬原子激發(fā)態(tài)的多氣泡聲致發(fā)光作為空化氣泡內(nèi)部溫度的光譜探針，利用原子發(fā)射理論合成光譜并進(jìn)行對照試驗(yàn)從而測量出MBSL的溫度。

2.2" 聲致發(fā)光的壓力研究

2.2.1nbsp; 單泡聲致發(fā)光（SBSL）壓力研究

對于SBSL期間空泡內(nèi)部產(chǎn)生的壓力估計(jì)值，Weninger等[25]通過RPE方程計(jì)算的半徑-時(shí)間曲線，并與一個(gè)簡單的絕熱壓縮模型耦合模擬單泡空化過程中的氣泡運(yùn)動得出水中SBSL壓力值約為8 000 atm，由于壓力的影響比重較大，利用PRE方程進(jìn)行耦合計(jì)算會導(dǎo)致壓力計(jì)算結(jié)果偏大，從而存在較大誤差。Alhelfi[26]和Flannigan[27]利用數(shù)值模型研究了高黏性液體（如硫酸水溶液）中單個(gè)氣體（氬）氣泡被強(qiáng)迫作周期振蕩的動力學(xué)，并從微米級氬氣泡在硫酸水溶液中的破裂推算出破裂階段氣泡中心壓力最大為1 023 bar。

Flannigan等[27]根據(jù)應(yīng)用于氬原子發(fā)射線的等離子體診斷技術(shù)測量了硫酸中發(fā)光氣泡內(nèi)的平均壓力約為1 500 bar，對于同一系統(tǒng)，還采用了光散射測量氣泡動力學(xué)得到的壓力值同樣約為1 500 bar。

2.2.2" 多泡聲致發(fā)光（MBSL）壓力研究

Rayleigh[1]早在1917年利用流體力學(xué)模型理論模擬了在理想氣體狀態(tài)下的空泡塌縮，從而估計(jì)MBSL的空泡壓力，計(jì)算氣泡內(nèi)部壓力超過1 000 atm。Merouani等[21]利用計(jì)算機(jī)模擬MBSL反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯张輧?nèi)部壓力進(jìn)行擬合，該模型將聲場中氣泡潰滅的動力學(xué)與單個(gè)氣泡的化學(xué)動力學(xué)相結(jié)合，計(jì)算得到最大泡內(nèi)壓力約為1 400 atm。

根據(jù)MBSL光譜同樣可以估算空泡的腔內(nèi)壓力，Mcnamara等[28]通過使用電子激發(fā)原子的發(fā)射線來確定在MBSL過程中產(chǎn)生的腔內(nèi)壓力，測得飽和氬硅油中氣泡在發(fā)射點(diǎn)的壓力約為300 bar。Suslick等[29]同樣利用光譜來探測空化過程中的局部壓力，在含有揮發(fā)性金屬羰基的溶液中，超聲波輻照會產(chǎn)生激發(fā)態(tài)金屬原子，這種發(fā)射的線寬分析可以確定發(fā)射原子的碰撞壽命，并由此估計(jì)空化過程中的有效局部壓力，對應(yīng)的計(jì)算壓力為1 700±110 atm。

3" 結(jié)束語

聲致發(fā)光現(xiàn)象產(chǎn)生的高溫和高壓現(xiàn)象，在臨床醫(yī)學(xué)研究、物理實(shí)驗(yàn)和聲化學(xué)方面都占據(jù)相當(dāng)重要的位置。有關(guān)聲致發(fā)光空泡內(nèi)部的高溫、高壓研究，對于解釋空化的作用機(jī)理具有十分重大的意義，是研究空化作用機(jī)理的重要途徑。近些年來，許多實(shí)驗(yàn)針對空泡內(nèi)部產(chǎn)生的高溫和高壓進(jìn)行研究，主要采用理論建立模型、基于光譜分析獲得聲致發(fā)光過程中聲壓和溫度，這些都為聲致發(fā)光壓力和溫度的測量提供了新思路和新方法。

但是，無論是理論模擬還是基于光譜分析獲得聲致發(fā)光過程中的溫度和壓力，其結(jié)果都存在誤差。理論模擬的誤差源自理論計(jì)算值過于理想，忽略了空泡內(nèi)溫度和壓強(qiáng)并非均勻分布的實(shí)際情況；而利用聲致發(fā)光光譜測量誤差在于空泡破裂過程十分短暫，測量過程中會出現(xiàn)能量損耗導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)。如果可以將這些誤差及損耗問題解決，得到更精準(zhǔn)的溫度和壓力數(shù)據(jù)，那么可以為今后的研究提供有力的數(shù)據(jù)保障。

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基金項(xiàng)目：國家自然基金資助項(xiàng)目（12074051）；國家重大科研儀器研制項(xiàng)目（81127901）

第一作者簡介：劉歡（1999－），男，碩士研究生。研究方向?yàn)楦哽o水壓下近固強(qiáng)空化。

*通信作者：李發(fā)琪（1970-），男，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)槌暱栈?/p>