聲致發光溫度與壓力研究進展

摘 要：聲致發光是聲空化過程中的一種特殊現象，是由于氣泡崩塌時所產生的光發射現象。其所包含的物理機制對聲化學、核物理、流體力學等方面的研究起著至關重要的作用。但目前對于聲致發光過程中空泡內局部產生的高溫、高壓等極端物理條件的測量結果差值較大，仍未得到統一結論。因此，該文從多泡聲致發光（MBSL）和單泡聲致發光（SBSL）2個方面，綜述了MBSL和SBSL的主要作用機理和區別，以及幾種認可度較高的溫度和壓強的測量研究方法。

關鍵詞：聲致發光；高溫高壓；壓強測量；溫度測量；聲空化

中圖分類號：O482.31" " " " 文獻標志碼：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

空化是指強超聲引起的局部瞬時壓力的迅速下降，或諸如船舶螺旋槳周圍的水動力運動并在液體中產生氣泡的現象[1]。在超聲波的負壓區域，氣泡膨脹是由于氣泡內部的壓力大于氣泡外部的液體壓力；在超聲波的壓縮階段，氣泡破裂是因為氣泡外部的液體壓力大于氣泡內部的壓力?？张莸臐缤鶗殡S著高溫、高壓[2]、微射流[3]和沖擊波[4]等現象，其中關于空泡潰滅產生的高溫、高壓現象至今未有定論，有關溫度和壓力的精確數值同樣是未知數，因此關于聲空化產生的瞬態高溫，以及高壓的測量和研究方法是本文關注的重點。

關于聲致發光現象空泡內部的溫度、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算機模擬計算；第二類是利用聲化學法測量；第三類則是通過單泡聲致發光（SBSL）和多泡聲致發光（MBSL）的發射光譜進行泡內溫度和聲壓的估算。因此，本文針對空泡聲致發光測溫測壓方式的研究進展進行了綜述，為聲致發光的測溫測壓研究作進一步的參考。

1" 聲致發光現象

1.1" SBSL和MBSL

聲致發光是指液體中的氣泡在超聲波的輻照下發生崩塌從而產生的發光現象。單泡聲致發光（SBSL）是單個氣泡在駐波壓力波腹處穩定搏動，壓力驅動下進入高度非線性振蕩，并發出短暫的寬頻帶光，圖1為單泡聲致發光現象[5]。

多泡聲致發光（MBSL）是由超聲波照射液體中的許多氣泡產生的聲致發光[6]，圖2為高靜水壓力下空化泡團聲致發光現象?？栈瘓鲋掳l光（MBSL和SBSL）都起源于激發態分子的發射，由于MBSL氣泡內部的壓力和溫度低得多，所以這種發光并不會熄滅[7]。

1.2" 空泡內的高溫、高壓

聲空化是一種基本的聲致發光機制，氣泡破裂的瞬間產生巨大的能量聚集，通過估算，產生的能量可以高達12個數量級，內爆空腔中包含的材料所經歷的溫度和壓力可以分別達到超過幾千度和數萬巴的值[8]。在一定條件下，能量濃度足以從氣泡內部產生光發射，稱為聲致發光[6]；能量密度高到足以產生寬帶紫外線，同樣也高到足以產生等離子體的程度[9]。這些極端物理條件在化學、材料學、能源和生物醫學等領域都得到了廣泛的應用。但有關其高溫、高壓的研究和測量仍處于起步階段，需進行不斷探索和完善。

2" 聲致發光的溫度、壓力研究

2.1" 聲致發光的溫度研究

2.1.1 單泡聲致發光（SBSL）溫度研究

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

對于光譜測溫法，通過在反應系統中添加惰性氣體以及強酸溶液可以顯著提高輻射功率，并且有利于通過發射光譜進行溫度測量[12-13]。Flannigan等[14-16]利用濃硫酸溶液SBSL光譜中的原子（Ar）發射和廣泛的分子（SO）和離子（O＋２）對SBSL的發射光譜進行測溫研究，不同條件下測得的Ar發射溫度為：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 多泡聲致發光（MBSL）溫度研究

多泡聲致發光溫度測量主要分為2大類：動力學法測溫、光譜分析法測溫。

Suslick[17]利用動力學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算得到氣相反應區的有效溫度為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境中，通過甲基自由基重組的動力學方式進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，而純甲烷環境內空泡的溫度為2 000 K。Tauber等[19]對揮發性底物叔丁醇在水溶液中超聲分解的產物進行研究，經過推算泡內溫度可達到約3 600 K。Misik等[20]利用動力學同位素效應的半經典模型，計算得出空化泡內溫度范圍在1 000～4 600 K。最近，Merouani等[21]通過氣泡潰滅的動力學與氣泡產生高溫的化學動力學相結合的方法，實驗結果估計潰滅氣泡內的溫度約為5 000 K。

Flint等[22]用激發態C2的聲致發光發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和隨后的輻射弛豫導致在MBSL光譜中觀察到強烈且分辨率良好的發射線，Mcnamara等[23]和Alkemade等[24]使用金屬原子激發態的多氣泡聲致發光作為空化氣泡內部溫度的光譜探針，利用原子發射理論合成光譜并進行對照試驗從而測量出MBSL的溫度。

2.2" 聲致發光的壓力研究

2.2.1nbsp; 單泡聲致發光（SBSL）壓力研究

對于SBSL期間空泡內部產生的壓力估計值，Weninger等[25]通過RPE方程計算的半徑-時間曲線，并與一個簡單的絕熱壓縮模型耦合模擬單泡空化過程中的氣泡運動得出水中SBSL壓力值約為8 000 atm，由于壓力的影響比重較大，利用PRE方程進行耦合計算會導致壓力計算結果偏大，從而存在較大誤差。Alhelfi[26]和Flannigan[27]利用數值模型研究了高黏性液體（如硫酸水溶液）中單個氣體（氬）氣泡被強迫作周期振蕩的動力學，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]根據應用于氬原子發射線的等離子體診斷技術測量了硫酸中發光氣泡內的平均壓力約為1 500 bar，對于同一系統，還采用了光散射測量氣泡動力學得到的壓力值同樣約為1 500 bar。

2.2.2" 多泡聲致發光（MBSL）壓力研究

Rayleigh[1]早在1917年利用流體力學模型理論模擬了在理想氣體狀態下的空泡塌縮，從而估計MBSL的空泡壓力，計算氣泡內部壓力超過1 000 atm。Merouani等[21]利用計算機模擬MBSL反應的實驗模型對空泡內部壓力進行擬合，該模型將聲場中氣泡潰滅的動力學與單個氣泡的化學動力學相結合，計算得到最大泡內壓力約為1 400 atm。

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

3" 結束語

聲致發光現象產生的高溫和高壓現象，在臨床醫學研究、物理實驗和聲化學方面都占據相當重要的位置。有關聲致發光空泡內部的高溫、高壓研究，對于解釋空化的作用機理具有十分重大的意義，是研究空化作用機理的重要途徑。近些年來，許多實驗針對空泡內部產生的高溫和高壓進行研究，主要采用理論建立模型、基于光譜分析獲得聲致發光過程中聲壓和溫度，這些都為聲致發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光過程中的溫度和壓力，其結果都存在誤差。理論模擬的誤差源自理論計算值過于理想，忽略了空泡內溫度和壓強并非均勻分布的實際情況；而利用聲致發光光譜測量誤差在于空泡破裂過程十分短暫，測量過程中會出現能量損耗導致測量結果不準。如果可以將這些誤差及損耗問題解決，得到更精準的溫度和壓力數據，那么可以為今后的研究提供有力的數據保障。

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

第一作者簡介：劉歡（1999－），男，碩士研究生。研究方向為高靜水壓下近固強空化。

*通信作者：李發琪（1970-），男，博士，教授，博士研究生導師。研究方向為超聲空化。