實驗名稱：單氣泡聲致發光實驗

　　研究方向：聲(sheng)空(kong)(kong)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)研(yan)究(jiu)的(de)(de)(de)轉機出(chu)現(xian)(xian)在(zai)(zai)(zai)1989年(nian)，美國華(hua)盛頓大(da)(da)學博士生(sheng)(sheng)蓋特(te)因與其導(dao)師克拉姆發(fa)現(xian)(xian)了單氣泡(pao)(pao)聲(sheng)致(zhi)發(fa)光現(xian)(xian)象，就是空(kong)(kong)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)氣泡(pao)(pao)只有(you)一(yi)個，而且發(fa)光。這(zhe)大(da)(da)大(da)(da)簡化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)了問題(ti)，從此對聲(sheng)致(zhi)發(fa)光以(yi)(yi)及空(kong)(kong)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)現(xian)(xian)象的(de)(de)(de)認(ren)識大(da)(da)大(da)(da)提高(gao)，超聲(sheng)空(kong)(kong)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)，是指當(dang)超聲(sheng)波(bo)能量(liang)足夠高(gao)時(shi)，存在(zai)(zai)(zai)于(yu)液(ye)體(ti)中的(de)(de)(de)微(wei)小氣泡(pao)(pao)（空(kong)(kong)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)核(he)）在(zai)(zai)(zai)超聲(sheng)場(chang)的(de)(de)(de)作(zuo)用下振動、生(sheng)(sheng)長并不斷聚(ju)集聲(sheng)場(chang)能量(liang)，當(dang)能量(liang)達(da)到某個閾值時(shi)，空(kong)(kong)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)氣泡(pao)(pao)急劇崩(beng)潰(kui)閉合的(de)(de)(de)現(xian)(xian)象，化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)氣泡(pao)(pao)的(de)(de)(de)壽命約0.1μs，它在(zai)(zai)(zai)急劇崩(beng)潰(kui)時(shi)可釋放出(chu)巨(ju)大(da)(da)的(de)(de)(de)能量(liang)，并產(chan)生(sheng)(sheng)速(su)(su)度(du)約為110m/s、有(you)強大(da)(da)沖擊(ji)力的(de)(de)(de)微(wei)射(she)流(liu)，使(shi)碰(peng)撞密度(du)高(gao)達(da)1.5kg/cm2。空(kong)(kong)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)氣泡(pao)(pao)在(zai)(zai)(zai)急劇崩(beng)潰(kui)的(de)(de)(de)瞬間產(chan)生(sheng)(sheng)局部高(gao)溫高(gao)壓（5000K，1800atm），冷卻速(su)(su)度(du)可達(da)109K/s。超聲(sheng)波(bo)這(zhe)種空(kong)(kong)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)作(zuo)用大(da)(da)大(da)(da)提高(gao)非均(jun)相反(fan)應(ying)速(su)(su)率，實現(xian)(xian)非均(jun)相反(fan)應(ying)物(wu)(wu)間的(de)(de)(de)均(jun)勻混合，加速(su)(su)反(fan)應(ying)物(wu)(wu)和產(chan)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)擴散，促進固體(ti)新相的(de)(de)(de)形成，控制(zhi)顆(ke)粒的(de)(de)(de)尺寸和分布。利(li)(li)用超聲(sheng)空(kong)(kong)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)產(chan)生(sheng)(sheng)沖擊(ji)波(bo)和高(gao)速(su)(su)射(she)流(liu)可以(yi)(yi)擊(ji)碎結石，進行無創手術。生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)體(ti)主要成分是水，所以(yi)(yi)在(zai)(zai)(zai)人(ren)(ren)(ren)體(ti)組織內也可以(yi)(yi)產(chan)生(sheng)(sheng)空(kong)(kong)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)效應(ying)。人(ren)(ren)(ren)們(men)嘗試利(li)(li)用超聲(sheng)空(kong)(kong)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)產(chan)生(sheng)(sheng)局部高(gao)溫殺(sha)死癌細(xi)胞(bao)。超聲(sheng)空(kong)(kong)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)可以(yi)(yi)提高(gao)中藥萃取效率。最近(jin)，人(ren)(ren)(ren)們(men)把藥裝在(zai)(zai)(zai)人(ren)(ren)(ren)工(gong)微(wei)氣泡(pao)(pao)內服(fu)用或注射(she)，然后在(zai)(zai)(zai)需要釋放藥物(wu)(wu)處加上超聲(sheng)，使(shi)微(wei)氣泡(pao)(pao)破(po)裂(lie)釋放藥物(wu)(wu)，就好像激(ji)光制(zhi)導(dao)導(dao)彈(dan)，大(da)(da)大(da)(da)減少副作(zuo)用。還(huan)有(you)一(yi)項技術是，利(li)(li)用超聲(sheng)空(kong)(kong)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)給細(xi)胞(bao)打孔(kong)，使(shi)藥物(wu)(wu)滲入，提高(gao)效率。

　　有些化(hua)學(xue)反(fan)應常溫(wen)下進度緩慢，需要催(cui)化(hua)劑或加(jia)熱。化(hua)學(xue)家們(men)發現在(zai)(zai)很多情況下超(chao)聲(sheng)空(kong)化(hua)可(ke)以(yi)(yi)起催(cui)化(hua)作用(yong)(yong)，那些可(ke)達到高溫(wen)高壓的聲(sheng)空(kong)化(hua)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)起關鍵(jian)作用(yong)(yong)。同(tong)時在(zai)(zai)軍事領域也(ye)(ye)有應用(yong)(yong)，在(zai)(zai)魚雷或潛水艇周圍產生超(chao)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)，減少阻(zu)力(li)，大大提高速度。潛艇被聲(sheng)納追(zhui)蹤，如何擺脫？陸(lu)地上我們(men)通過釋放(fang)煙(yan)霧，阻(zu)礙敵人(ren)視線(xian)。而在(zai)(zai)海上，我們(men)可(ke)以(yi)(yi)利用(yong)(yong)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)幕(mu)阻(zu)礙聲(sheng)波探測，從(cong)而擾(rao)亂敵人(ren)的監視。超(chao)聲(sheng)空(kong)化(hua)也(ye)(ye)可(ke)能應用(yong)(yong)于管道清理(li)，比如石油管道。

　　實驗目的：驗證聲(sheng)致(zhi)發(fa)光，為后續實(shi)驗做論證和鋪墊。

　　測試設備：射頻功率放大器、信號發生器(qi)、示波器(qi)、壓電(dian)陶瓷、圓底(di)燒(shao)瓶、高速攝像機(ji)等。

　　實驗過程：100mL左(zuo)右的(de)(de)球形(xing)燒(shao)瓶(ping)裝滿水，水是經過特(te)殊處理的(de)(de)，就(jiu)是把溶于水中(zhong)(zhong)的(de)(de)空氣(qi)排除掉。燒(shao)瓶(ping)兩側(ce)用(yong)(yong)環膠粘上(shang)壓(ya)(ya)電(dian)陶瓷。信(xin)號發生器產(chan)(chan)生激勵信(xin)號，通(tong)過射頻功率放大器放大從而驅動壓(ya)(ya)電(dian)陶瓷，激發出超聲(sheng)(sheng)波(bo)。調節信(xin)號頻率使燒(shao)瓶(ping)產(chan)(chan)生共振，其中(zhong)(zhong)心成為超聲(sheng)(sheng)駐(zhu)波(bo)波(bo)腹。用(yong)(yong)針管注入一個氣(qi)泡，氣(qi)泡會(hui)在(zai)聲(sheng)(sheng)壓(ya)(ya)作用(yong)(yong)下靜止在(zai)駐(zhu)波(bo)波(bo)腹。小心調節聲(sheng)(sheng)強，關(guan)上(shang)燈，黑暗(an)中(zhong)(zhong)裸眼可以觀察(cha)到藍(lan)白色的(de)(de)光點，就(jiu)像夜空中(zhong)(zhong)的(de)(de)星(xing)星(xing)。

　　圖(tu)(tu)1-1單氣泡聲致發光實驗框圖(tu)(tu)

　　實驗結果：實驗(yan)室中(zhong)可(ke)以(yi)(yi)測量(liang)單氣(qi)泡(pao)聲(sheng)致發光(guang)(guang)光(guang)(guang)譜(pu)(pu)，光(guang)(guang)譜(pu)(pu)似乎(hu)與(yu)黑體輻射(she)(she)譜(pu)(pu)相像。計算表明(ming)，溫(wen)(wen)度越高(gao)(gao)軔致輻射(she)(she)的貢獻越大，光(guang)(guang)譜(pu)(pu)呈現連續譜(pu)(pu)特征(zheng)；溫(wen)(wen)度相對不太高(gao)(gao)時，原子(zi)或分(fen)子(zi)線(xian)譜(pu)(pu)成分(fen)增大。一(yi)般(ban)在聲(sheng)致發光(guang)(guang)溫(wen)(wen)度區域(yu)，軔致輻射(she)(she)以(yi)(yi)短波為主(zhu)，所以(yi)(yi)，亮氣(qi)泡(pao)發光(guang)(guang)呈現藍白色，而惰性氣(qi)體原子(zi)線(xian)譜(pu)(pu)主(zhu)要集中(zhong)在低(di)頻(pin)波段，所以(yi)(yi)暗氣(qi)泡(pao)通(tong)常帶有紅色。若液(ye)體是鈉鹽溶(rong)液(ye)，氣(qi)泡(pao)內可(ke)能濺進鈉原子(zi)，激發鈉雙線(xian)，因而有時氣(qi)泡(pao)還(huan)會呈現黃色。通(tong)過觀(guan)察(cha)聲(sheng)致發光(guang)(guang)光(guang)(guang)譜(pu)(pu)或觀(guan)察(cha)氣(qi)泡(pao)顏(yan)色，可(ke)以(yi)(yi)估計氣(qi)泡(pao)溫(wen)(wen)度大致高(gao)(gao)低(di)。實驗(yan)發現，在水中(zhong)大量(liang)空化氣(qi)泡(pao)一(yi)起發光(guang)(guang)時，光(guang)(guang)譜(pu)(pu)中(zhong)線(xian)譜(pu)(pu)成分(fen)占優，

　　而(er)(er)單氣(qi)泡(pao)(pao)聲致發光(guang)光(guang)譜多數(shu)情(qing)況是(shi)連續譜，以此可以推(tui)斷(duan)，單氣(qi)泡(pao)(pao)情(qing)形(xing)，其(qi)達(da)到的(de)高(gao)溫遠(yuan)高(gao)于(yu)多氣(qi)泡(pao)(pao)發光(guang)時(shi)其(qi)中(zhong)個體氣(qi)泡(pao)(pao)能達(da)到的(de)高(gao)溫。濃硫酸與水的(de)情(qing)況有些(xie)區別，圖2-2是(shi)濃硫酸中(zhong)空(kong)化氙氣(qi)泡(pao)(pao)發光(guang)照(zhao)片，讀(du)者可以比較(jiao)(jiao)圖2-1和圖2-2，注意圖2-1中(zhong)只有一(yi)個氬氣(qi)泡(pao)(pao)，而(er)(er)圖2-2中(zhong)卻是(shi)由成千上萬個氙氣(qi)泡(pao)(pao)組成。近期的(de)理(li)論研究表(biao)明，多氣(qi)泡(pao)(pao)情(qing)形(xing)，氣(qi)泡(pao)(pao)之間的(de)相互作用其(qi)實是(shi)抑(yi)制空(kong)化強度(du)，所以，此時(shi)氣(qi)泡(pao)(pao)壓縮過程受到其(qi)他周圍(wei)氣(qi)泡(pao)(pao)的(de)牽(qian)制，劇(ju)烈程度(du)減弱，氣(qi)泡(pao)(pao)內部(bu)達(da)到的(de)高(gao)溫自然比單氣(qi)泡(pao)(pao)情(qing)形(xing)較(jiao)(jiao)低。

　　圖2-1濃硫酸(suan)（85%）中單個氬氣泡聲致發光

　　圖2-2大量空化氙氣(qi)泡聲致(zhi)發光形(xing)成火焰狀圖案

　　?射頻功率放大器推薦：ATA-8202

　　圖：ATA-8202射頻功率放大器

　　工(gong)作模(mo)式：ClassA

　　工作頻(pin)率：100kHz~20MHz

　　P1dB輸出功率(lv)：100W

　　飽和輸出功率(lv)：200W

　　功率增益：47dB

　　應用：無損檢測、聲動力治療、聚焦超聲、超聲霧化、藥物控釋、超聲醫療測試、細胞腫瘤消融

　　本資料由Aigtek安(an)(an)泰(tai)(tai)電(dian)子整(zheng)理發布，更多案例及產(chan)品(pin)詳情請持(chi)續關注(zhu)我們。西安(an)(an)安(an)(an)泰(tai)(tai)電(dian)子Aigtek已經成為在業界擁有廣(guang)泛(fan)產(chan)品(pin)線(xian)，且具有相當(dang)規(gui)模的儀器設備(bei)供應商，樣(yang)機都支持(chi)免(mian)費(fei)試用。如想了解更多射頻功率放大器等產(chan)品(pin)，請持(chi)續關注(zhu)安(an)(an)泰(tai)(tai)電(dian)子官網hkdyw.cn或撥打029-88865020。