Акустический журнал, 2020, T. 66, № 3, стр. 278-283

ВВЕДЕНИЕ

Сонолюминесценция (СЛ) – явление импульсного излучения света пузырьками газа (пара, паровой смеси) в жидкости под действием акустического поля [1–3]. Согласно литературным данным [1–3], получение и исследование СЛ, в основном, проводят с помощью сферических или цилиндрических резонаторов. Резонаторы изготавливают из стекла, заполняют рабочей жидкостью с растворенным в ней газом. Волновой процесс в жидкости возбуждают двумя или большим количеством пьезоэлектрических элементов, закрепленных попарно в диаметрально противоположных точках экватора сферического резонатора или на торцевых крышках цилиндрического резонатора. Для последнего, в ряде случаев, используют небольшой кольцевой пьезоэлемент [4]. Для получения необходимой амплитуды акустического поля при возбуждении таких резонаторов приходится прикладывать высокое напряжение к пьезокерамическим элементам. Кроме того, наличие дополнительных масс в виде пьезокерамических элементов на стенках колбы искажает сферически-симметричные моды колебаний.

В настоящей работе приведены результаты исследования цилиндрического резонатора, изготовленного целиком из пьезокерамики. Особенностью такого резонатора является то, что акустические волны в жидкости возбуждаются движением всей поверхности стенки, что может привести к созданию своеобразной волновой картины. Вследствие большой площади поверхности пьезокерамики в таком резонаторе легче возбудить акустические волны необходимой амплитуды при существенно меньших прикладываемых электрических напряжениях. Кроме того, в таком резонаторе по сравнению с классической схемой стеклянного резонатора с приклеенными небольшими пьезокерамическими элементами легче возбудить симметричные моды колебаний, необходимые для наблюдения СЛ.

Исследован резонатор, изготовленный из пьезокерамики системы цирконата-титаната бария-свинца марки ЦТБС-3 со следующими размерами: внутренний диаметр – 65.5 мм, толщина стенки – 4.7 мм, высота – 49.8 мм. Цилиндрические поверхности покрыты электродами из возженного серебра толщиной ~10 мкм. Пьезокерамика поляризована по радиусу. Электрическая емкость резонатора 49 нФ (на частоте f = 1 кГц). Нижний торец резонатора закрыт крышкой из силикатного стекла толщиной 4 мм.

Проведено численное моделирование работы резонатора, измерен ряд его характеристик, проведены эксперименты по получению и измерению некоторых характеристик однопузырьковой (ОПСЛ) и многопузырьковой (МПСЛ) сонолюминесценции в системе вода–воздух.

1. ИЗМЕРЕНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК РЕЗОНАТОРА

Измерена частотная характеристика резонатора и распределение акустического давления по его объему. Для проведения исследований использована экспериментальная установка, в состав которой входили: генератор Tektronix AFG 3102C; усилитель мощности AR350AH1 со спектральным диапазоном 10 Гц–1 МГц; пьезокерамический резонатор, заполненный жидкостью, высота столба которой 40 мм; игольчатый гидрофон фирмы Precision Acoustics, с размером рабочей части Ø 1.0 × 30 мм и спектральным диапазоном 10 кГц–60 МГц; цифровой осциллограф Le Croy WR625Zi с полосой пропускания 2.5 ГГц.

Опыты по измерению частотной характеристики проведены с дегазированной дистиллированной водой в диапазоне частот 0–120 кГц. Для всех экспериментов воду дегазировали до концентрации растворенного кислорода ~20% от его концентрации при нормальных условиях. Для дегазации использовали установку, состоящую из форвакуумного насоса, соединенного с герметичным сосудом. Мерой дегазации служила концентрация кислорода, измеренная кислородомером ATE-3012. После дегазации вода охлаждалась до температуры 5–7°С. Измерительный гидрофон размещался вертикально по оси цилиндра, его чувствительный элемент находился на глубине 20 мм. На резонатор подавалось напряжение синусоидальной формы амплитудой ~10 В. Результаты измерений частотной характеристики приведены на рис. 1.

Рис. 1.

Частотная характеристика резонатора.

На частотной характеристике во всем диапазоне частот видно множество резонансов. На вкладке более подробно представлен диапазон 16–28 кГц. Было установлено, что на частоте 19.08 кГц имеется резонанс, при котором обеспечивается один максимум в центре резонатора. Этот резонанс соответствует основной радиальной моде. Дальнейшая работа проводилась на этой резонансной частоте, так как данная мода создает условия для левитации и сонолюминесценции одиночного пузырька в центре нашего резонатора. Более высокочастотные резонансы соответствуют более высоким радиальным, азимутальным и глубинным модам.

Измерения распределения амплитуды (профиля) давления в резонаторе проводили на выбранной резонансной частоте 19.08 кГц. В опытах гидрофон перемещали вдоль диаметральной линии с помощью специального устройства с шагом 5 мм. Результаты измерений приведены на рис. 2.

Рис. 2.

Нормированные радиальные профили амплитуды давления в цилиндрическом резонаторе на частоте 19.08 кГц на глубинах от поверхности воды: 1 – 5, 2 – 10, 3 – 15, 4 – 20, 5 – 25 мм.

Численное моделирование акустического поля в резонаторе проводилось методом конечных элементов с помощью программного комплекса Comsol, ver 5.2a, с использованием модулей Multiphysics, Solid mechanics, Acoustics, MEMS (микроэлектромеханические структуры, керамика). Расчет велся на осесимметричной модели, тип расчета – гармонический анализ (Frequency domain). Шаг сетки 3 мм, сетка треугольная. Расчет проводился для резонатора с реальными размерами для параметров пьезокерамики ЦТБС-3. В рамках расчета основной резонанс получился на частоте 19880 Гц, что немного отличается от экспериментально найденного резонанса на частоте 19080 Гц. Вид колебаний стенок резонатора на этой частоте приведен на рис. 3. Из рисунка можно сделать вывод о том, что цилиндрическая пьезокерамическая стенка резонатора совершает изгибные колебания, соответствующие второй моде, при этом стеклянное дно колеблется на первой моде. Связь этих мод осуществляется посредством слоя воды, заполняющего резонатор.

Рис. 3.

Вид расчетных колебаний стенок и дна резонатора на частоте 19.88 кГц.

Структура поля давления в водном слое на этой резонансной частоте показана на рис. 4, из которого следует, что примерно в центре водного слоя формируется максимум амплитуды акустического поля. Акустическое поле убывает как при приближении к цилиндрической стенке, так и при приближении к поверхности и дну водного слоя.

Рис. 4.

Структура поля акустического давления в резонаторе на частоте 19.88 кГц.

На рис. 5 приведены рассчитанные радиальные профили амплитуды акустического поля в диаметральной плоскости резонатора на глубинах от 5 до 25 мм с шагом 5 мм, которые качественно соответствуют экспериментальным профилям на рис. 2.

Рис. 5.

Нормированные радиальные профили амплитуды давления в цилиндрическом резонаторе на частоте 19.08 кГц на глубинах от поверхности воды: 1 – 5, 2 – 10, 3 – 15, 4 – 20, 5 – 25 мм.

Численное моделирование показало, что в акустическом резонаторе на основной резонансной частоте за счет связанных сложных колебаний пьезокерамической стенки и стеклянного дна формируется акустическое поле, имеющее максимум в центре водного слоя. В таком акустическом поле на маленький пузырек, резонансная частота которого выше частоты акустического поля, действует сила радиационного давления, втягивающая его в центр резонатора и удерживающая его там. Таким образом, в резонаторе существуют условия для наблюдения сонолюминесценции одиночного пузырька.

3. ПОЛУЧЕНИЕ И НАБЛЮДЕНИЕ ОДНОПУЗЫРЬКОВОЙ СОНОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ

В исследуемом резонаторе получена как однопузырьковая (ОПСЛ), так и многопузырьковая (МПСЛ) сонолюминесценция.

Для получения ОПСЛ использовали дистиллированную воду с удельным сопротивлением ~350 кОм см при нормальных условиях. Пузырек формировали следующим образом. На резонатор подавали синусоидальное напряжение резонансной частоты ~19 кГц амплитудой 5 В. Далее возмущали поверхность воды падением капли. При этом образовывались несколько пузырьков, которые устремлялись к центру резонатора и объединялись в один стабильный пузырек. Путем увеличения амплитуды возбуждающего сигнала до 50 В и тонкой подстройки частоты получали режим сонолюминесценции. Фотография светящегося пузырька приведена на рис. 6. Пузырек голубого цвета хорошо виден невооруженным глазом в затемненном помещении.

Рис. 6.

Фотография светящегося пузырька.

Для возбуждения резонатора использовали генератор Tektronix AFG 3102C, усилитель мощности AR 350АН1А и трансформатор IT1003 фирмы Amplifier Research. В течение всего опыта акустическое давление в жидкости мониторировали гидрофоном. Импульсы излучения регистрировали ФЭУ ТНФТ25-02 (спектральный диапазон 200–800 нм, временное разрешение ~1 нс, диаметр фотокатода 25 мм), установленным у открытого верхнего торца резонатора, и осциллографом Le Croy 625Zi. Результат измерений приведен на рис. 7. Форма импульса с ФЭУ дана на рис. 8.

Рис. 7.

Результат измерений сигналов с гидрофона и ФЭУ (ОПСЛ).

Рис. 8.

Форма импульса с ФЭУ.

Осциллограммы сигналов (рис. 7) показывают, что в пьезокерамическом резонаторе получена стабильная однопузырьковая сонолюминесценция. Вспышка света генерируется в каждом акустическом цикле в момент времени, практически совпадающий с моментом максимума давления. В данном опыте амплитуда сигнала с ФЭУ составляет ~7 В. Осциллограмма формы сигнала (рис. 8) указывает на то, что временное разрешение измерительного канала недостаточно для регистрации импульса излучения без искажения. Отметим, что для получения ОПСЛ в пьезокерамическом резонаторе на его обкладки нужно подать напряжение ~50 В, что значительно меньше, чем в случае стеклянных резонаторов. В последнем случае на пьезоэлементы подают напряжение ~700 В.

Спектр излучения измерялся спектрометром Ocean Optics QE Pro (спектральный диапазон 200–800 нм). Излучение транслировалось по оптическому каналу, состоящему из кварцевой линзы диаметром 25 мм и кварцевого волокна диаметром 0.6 мм и длиной 1 м. Канал был протестирован с использованием дейтериевой лампы Ocean Optics P-2000 и “точечного” источника света: фотодиод и малое отверстие. Юстировка оптической системы проводилась с помощью лазера, включенного в оптический канал со стороны спектрометра. Результаты измерений приведены на рис. 9.

Рис. 9.

Спектр однопузырьковой сонолюминесценции.

Серия измерений спектров, показанных на рис. 9, проведена с одним и тем же пузырьком в течение времени ~5 мин. Максимальная интенсивность получена в первом измерении. Во время эксперимента температура воды постепенно увеличивалась, что, по нашему мнению, привело к уменьшению интенсивности излучения. Измеренный спектр по форме отличается от аналогичных измерений в работах [5, 6]. В [5] измерения проведены при акустических давлениях, близких к верхнему порогу области стабильности пузырька для получения максимальной яркости источника. Зарегистрированный в работе [5] спектр представляет собой гладкую кривую, растущую с уменьшением длины волны λ вплоть до λ = 200 нм. В работе [6] при амплитудах акустического давления, близких к нижнему порогу области стабильности, авторы наблюдали в спектре системы вода–воздух линии ОН и ряд других линий, природа которых в [5] не определена. Возможно, в нашем случае получено некоторое промежуточное состояние системы, о чем свидетельствуют наличие в спектре слабой линии гидроксил-радикала (λ = 310 нм) и другой линии (λ = 320 нм).

Для определения влияния чистоты используемой воды на измерение спектра СЛ с помощью спектрофлуориметра СМ2203 (фирма Солар, Беларусь, спектральный диапазон 220–1100 нм) был определен коэффициент ее пропускания. Эти данные приведены на рис. 10.

Рис. 10.

Коэффициент пропускания воды относительно воздуха.

Результаты измерений коэффициента оптического пропускания воды относительно воздуха, приведенные на рис. 10, демонстрируют, что эта характеристика воды практически не приводит к искажению спектра излучения СЛ.

4. ПОЛУЧЕНИЕ И НАБЛЮДЕНИЕ МНОГОПУЗЫРЬКОВОЙ СОНОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ

Многопузырьковая сонолюминесценция наблюдалась в этом же резонаторе. При постепенном увеличении возбуждающего напряжения по достижении в резонаторе давлений, превышающих порог кавитации, в ней образовывались пузырьки, которые начинали излучать свет, т.е. реализовывалось явление многопузырьковой сонолюминесценции. В этих опытах использовалась недегазированная дистиллированная вода при температуре 5.3°С. Частота акустического поля составляла 33 кГц. На этой частоте, соответствующей другому, более сильному резонансу акустического поля, легко обеспечивался режим кавитации. Импульсы излучения МПСЛ регистрировали с помощью того же метода, что и ОПСЛ. Результаты измерений при двух значениях напряжения на резонаторе приведены на рис. 11 и 12. В опыте, соответствующем рис. 12, гидрофон не использовали из-за опасности его кавитационного повреждения. Отметим, что при кавитационном процессе часть пузырьков появляется вблизи стенок резонатора. В этом случае характер их колебаний может отличаться от монопольных [7], хотя в данных экспериментах детально наблюдать форму колебаний пузырьков не удалось.

Рис. 11.

Осциллограмма сигналов с гидрофона и с ФЭУ при наблюдении МПСЛ. Напряжение на резонаторе 84 В.

Рис. 12.

Осциллограмма сигналов с ФЭУ при наблюдении МПСЛ. Напряжение на резонаторе 95 В.

Анализ осциллограмм показывает, что в экспериментах получена стабильная МПСЛ в недегазированной воде. Отметим, что амплитуды сигналов с ФЭУ не превышают 150 мВ. Это значительно меньше, чем в случае ОПСЛ. Недегазированная вода была выбрана из-за более низкого порога кавитации. Импульсы сонолюминесценции возникают при схлопывании пузырьков, а количество коллапсирующих пузырьков растет с ростом электрического напряжения на резонаторе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе приведены результаты наблюдения однопузырьковой и многопузырьковой сонолюминесценции в цилиндрическом резонаторе из пьезокерамики. Показано, что в таком резонаторе при сравнительно низких электрических напряжениях порядка нескольких десятков вольт создаются условия для возникновения сонолюминесценции. Наблюдение ОПСЛ проводилось на основной радиальной моде резонатора на частоте около 19 кГц. Численное моделирование акустического поля в резонаторе показало, что основная мода представляет собой изгибные колебания цилиндрической пьезокерамической стенки, при которой формируется максимум поля давления примерно в середине водного слоя. Синхронные измерения акустического поля в резонаторе и оптических импульсов проводилось как для ОПСЛ, так и для МПСЛ. МПСЛ наблюдалась при превышении порога кавитации при напряжении около 80 В. Таким образом, результаты работы показывают, что использование пьезокерамических резонаторов дает возможность сравнительно просто получить условия для возникновения и исследования сонолюминесценции, в особенности одиночного пузырька.

Работа частично выполнена в рамках госзаданий ИПФ РАН 0035-2019-0009 (ИНД) и 0035-2019-0011 (ВВЧ).