重庆医科大学：《超声治疗学》课程教学课件（讲稿）第六章 超声空化（主讲：李发琪）

重广醫科大学UNIVERS第六章超声空化李发琪重庆医科大学生物医学工程系重庆医科大学医学超声工程研究所省部共建超声医学工程国家重点实验室

第六章 超声空化 李发琪 重庆医科大学生物医学工程系 重庆医科大学医学超声工程研究所 省部共建超声医学工程国家重点实验室

超声治疗学——Chap.6重广医科大学UNIVER教学目的与要求重点掌握基本概念：空化、超声空化、空化值、空化核、稳态空化、瞬态空化掌握发生空化的条件2.3.熟悉几种空化核4.熟悉检测空化的方法5.掌握影响超声空化的物理参数、如何影响？6.了解声场中空化泡的运动

超声治疗学——Chap.6 教学目的与要求 1. 重点掌握基本概念：空化、超声空化、空化 阈值、空化核、稳态空化、瞬态空化 2. 掌握发生空化的条件 3. 熟悉几种空化核 4. 熟悉检测空化的方法 5. 掌握影响超声空化的物理参数、如何影响？ 6. 了解声场中空化泡的运动

超声治疗学—Chap.6重广醫科大学UNIVERI超声空化是一个十分重要而又非常复杂的物理现象。从物理学讲，超声空化属于非线性声学的研究范围，但它又具有许多独特的现象，且有着越来越重要的应用

超声治疗学——Chap.6 „ 超声空化是一个十分重要而又非常复杂的物理现象。从 物理学讲，超声空化属于非线性声学的研究范围，但它 又具有许多独特的现象，且有着越来越重要的应用

超声治疗学Chap.6重慶醫科大学ALUNIVERSI历史19世纪末，英国海军建造出第一艘驱逐舰，在初期试验时发现，螺旋浆推进器在水中会引起剧烈振动象。Thornycrof和Barnaby认为这种振动是由于螺旋浆的旋转产生了大气泡（空穴），而这些大气泡又在水的压力下随即发生内爆而产生的。这是第一次对空化现象物理本质的描述。振动问题浸蚀问题

超声治疗学——Chap.6 历 史 ◇19世纪末，英国海军建造出第一艘驱逐舰，在初期试验时 发现，螺旋浆推进器在水中会引起剧烈振动象。Thornycroft 和 Barnaby认为这种振动是由于螺旋浆的旋转产生了大气泡 （空穴），而这些大气泡又在水的压力下随即发生内爆而产 生的。这是第一次对空化现象物理本质的描述。 振动问题 浸蚀问题

超声治疗学Chap.6重慶醫科大学LUNIVERSI于是正式邀请Rayleigh勋爵来研究这个问题。1917年Rayleigh发表了题为“液体中球形空腔崩溃时产生的压力”的著名研究论文，对空化现象的理论研究做出了重大突破，为一个多世纪以来的一切有关空化理论研究奠定了基础山19世纪末，声学研究工作由瑞利勋爵以他的两卷巨著《声的理论》。总结了300年的重要成就，集声学理论的大成，至今仍为经典，引用不绝

超声治疗学——Chap.6 ◇于是正式邀请Rayleigh勋爵来研究这个问题。1917年， Rayleigh 发表了题为“液体中球形空腔崩溃时产生的压力”的 著名研究论文，对空化现象的理论研究做出了重大突破，为 一个多世纪以来的一切有关空化理论研究奠定了基础. 19 世纪末，声学研究工作由瑞利勋爵以他的两卷巨著 《声的理论》。总结了 300 年的重要成就，集声学理论的 大成，至今仍为经典，引用不绝

超声治疗学Chap.6重广醫科大学ICAALUNIVERSIGUINNESSe

超声治疗学——Chap.6

-Chap.6超声治疗学一重广醫科大学ICALUNIVERSI空化阈值与空化核空化（cavitation）：液体中由于某些原因形成局部气体或蒸汽空穴及其成长与破灭的现象。>超声空化：液体中的微小泡核在超声波作用下被激活，它表现为泡核的振荡、生长、收缩及崩溃等一系列动力学过程。气泡的生长过果P128现象描述向内焊裂蔬张压绵换能器5.000'C&500A

超声治疗学——Chap.6 一、空化阈值与空化核 Î空化（cavitation)：液体中由于某些原因形成局部气体或蒸 汽空穴及其成长与破灭的现象。 Î超声空化：液体中的微小泡核在超声波作用下被激活，它表 现为泡核的振荡、生长、收缩及崩溃等一系列动力学过程。 P128 现象描述

超声治疗学一-Chap.6重广医科大学空化阈值与空化核空化阈值：当负压达到某一临界值时，液体中便产生空化。这种能将液体拉断的临界负压值就称为空化阈值（cavitationthreshold）。这一阈值若由声压表示，就称为空化的声压阈值；若由声强表示，则称为空化的声强值。当液体中含有半径为R.的空化核时，其空化阈值P为：20Pε=P。-P20RP。：液体中的静压强；Pv：气泡内的蒸汽压；：表面张力系数、P也称为Blake阈值压强

超声治疗学——Chap.6 一、空化阈值与空化核 Î 空化阈值：当负压达到某一临界值时，液体中便产生空化。这 种能将液体拉断的临界负压值就称为空化阈值（cavitation threshold）。这一阈值若由声压表示，就称为空化的声压阈值； 若由声强表示，则称为空化的声强阈值。 Î 当液体中含有半径为R0的空化核时，其空化阈值PB为： ：液体中的静压强； ：气泡内的蒸汽压； ：表面张力系数、 PB 也称为Blake 阈值压强。 3 0 B 0 0 0 2 2 3 3 2 P V V R P P P P R σ σ ⎛ ⎞ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ =−+ ⎛ ⎞ ⎜ ⎟ − + ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ P0 PV σ

超声治疗学一-Chap.6重广醫科大学UNIVER空化阈值与空化核当Po，且P<P时，上式近似为：R.0P=P。+0.77-R。20对于较小的空化核，空化阈值主要取决于液体表面张力R

超声治疗学——Chap.6 一、空化阈值与空化核 当 ，且 时，上式近似为： 对于较大的空化核，空化阈值主要取决于液体中的静压强 。 当 ，且 时，上式近似为： 对于较小的空化核，空化阈值主要取决于液体表面张力 0 2 R σ P0 PV P0 PV P0 3 B0 0 0 2 PP P 0.38 R ⎛ ⎞ σ = + ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ 0 0 2 p R >> σ B 0 0 P P 0.77 Rσ ≈ + = ≪ ≪ P0 0 2 R σ ≪

超声治疗学—Chap.6重广医科大学LUNIVERS空化國值与空化核对于纯净液体（不含气体、杂质颗粒等），空化阈值的理论值相当高。以水为例，按热力学统计物理计算，在常温下空化阈值超过-100MPa（相当手-1000atm）。然而，实验表明，几乎所有实际液体，例如自来水、江、湖、海水等的空化阈值，仅为-1MPa左右；即使经过除气、过滤、去离子等专门处理的液体，也只有-30MPa。理论和实验研究表明，这是由于实际液体中总是存在许多微小气泡构成液体的“薄弱环节”，因而在相当低的负压下即可首先在这些地方将液体拉断而产生空化。这种微小气泡称为“空化核”（cavitationnuclei）。常见的空化核可以是液体中半径小宇o.1mm的气泡或蒸汽泡（半径天于0.1mm的气泡会因浮力升至液面而破灭）；也可以是固态粒子的裂缝或表面附着的微小气泡等等

超声治疗学——Chap.6 一、空化阈值与空化核 Î对于纯净液体（不含气体、杂质颗粒等），空化阈值的理论值相 当高。以水为例，按热力学统计物理计算，在常温下空化阈值超 过-100MPa（相当于-1000atm）。然而，实验表明，几乎所有实 际液体，例如自来水、江、湖、海水等的空化阈值，仅为-1MPa 左右；即使经过除气、过滤、去离子等专门处理的液体，也只 有-30MPa。 Î理论和实验研究表明，这是由于实际液体中总是存在许多微小气 泡构成液体的“薄弱环节”，因而在相当低的负压下即可首先在这 些地方将液体拉断而产生空化。这种微小气泡称为“空化核”（ cavitation nuclei）。常见的空化核可以是液体中半径小于0.1mm 的气泡或蒸汽泡（半径大于0.1mm的气泡会因浮力升至液面而破 灭）；也可以是固态粒子的裂缝或表面附着的微小气泡等等