声致发光温度与压力研究进展

摘 要：声致发光是声空化过程中的一种特殊现象，是由于气泡崩塌时所产生的光发射现象。其所包含的物理机制对声化学、核物理、流体力学等方面的研究起着至关重要的作用。但目前对于声致发光过程中空泡内局部产生的高温、高压等极端物理条件的测量结果差值较大，仍未得到统一结论。因此，该文从多泡声致发光（MBSL）和单泡声致发光（SBSL）2个方面，综述了MBSL和SBSL的主要作用机理和区别，以及几种认可度较高的温度和压强的测量研究方法。

关键词：声致发光；高温高压；压强测量；温度测量；声空化

中图分类号：O482.31" " " " 文献标志码：A" " " " " " 文章编号：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

空化是指强超声引起的局部瞬时压力的迅速下降，或诸如船舶螺旋桨周围的水动力运动并在液体中产生气泡的现象[1]。在超声波的负压区域，气泡膨胀是由于气泡内部的压力大于气泡外部的液体压力；在超声波的压缩阶段，气泡破裂是因为气泡外部的液体压力大于气泡内部的压力。空泡的溃灭往往会伴随着高温、高压[2]、微射流[3]和冲击波[4]等现象，其中关于空泡溃灭产生的高温、高压现象至今未有定论，有关温度和压力的精确数值同样是未知数，因此关于声空化产生的瞬态高温，以及高压的测量和研究方法是本文关注的重点。

关于声致发光现象空泡内部的温度、压力研究方式主要涉及3大类：第一类是通过建立仿真模型以及计算机模拟计算；第二类是利用声化学法测量；第三类则是通过单泡声致发光（SBSL）和多泡声致发光（MBSL）的发射光谱进行泡内温度和声压的估算。因此，本文针对空泡声致发光测温测压方式的研究进展进行了综述，为声致发光的测温测压研究作进一步的参考。

1" 声致发光现象

1.1" SBSL和MBSL

声致发光是指液体中的气泡在超声波的辐照下发生崩塌从而产生的发光现象。单泡声致发光（SBSL）是单个气泡在驻波压力波腹处稳定搏动，压力驱动下进入高度非线性振荡，并发出短暂的宽频带光，图1为单泡声致发光现象[5]。

多泡声致发光（MBSL）是由超声波照射液体中的许多气泡产生的声致发光[6]，图2为高静水压力下空化泡团声致发光现象。空化场致发光（MBSL和SBSL）都起源于激发态分子的发射，由于MBSL气泡内部的压力和温度低得多，所以这种发光并不会熄灭[7]。

1.2" 空泡内的高温、高压

声空化是一种基本的声致发光机制，气泡破裂的瞬间产生巨大的能量聚集，通过估算，产生的能量可以高达12个数量级，内爆空腔中包含的材料所经历的温度和压力可以分别达到超过几千度和数万巴的值[8]。在一定条件下，能量浓度足以从气泡内部产生光发射，称为声致发光[6]；能量密度高到足以产生宽带紫外线，同样也高到足以产生等离子体的程度[9]。这些极端物理条件在化学、材料学、能源和生物医学等领域都得到了广泛的应用。但有关其高温、高压的研究和测量仍处于起步阶段，需进行不断探索和完善。

2" 声致发光的温度、压力研究

2.1" 声致发光的温度研究

2.1.1 单泡声致发光（SBSL）温度研究

SBSL气泡溃灭时，气体原子和气泡内分子形成具有宽带光子光谱的等离子体[10]。Bernstein等[11]建立了基于流体结构、热力学和受限电子发射的硬球模型，利用该模型预测了200～700 nm光谱窗口发射过程中的有效温度在20 000～60 000 K之间。Yasui[7]基于气泡坍缩的准绝热压缩模型，对气泡和氩气气泡在单气泡声致发光条件下的辐射过程进行了计算机模拟，相同条件下，氩气泡内最高温度达到了14 500 K远大于普通气泡的最高温度6 400 K。

对于光谱测温法，通过在反应系统中添加惰性气体以及强酸溶液可以显著提高辐射功率，并且有利于通过发射光谱进行温度测量[12-13]。Flannigan等[14-16]利用浓硫酸溶液SBSL光谱中的原子（Ar）发射和广泛的分子（SO）和离子（O＋２）对SBSL的发射光谱进行测温研究，不同条件下测得的Ar发射温度为：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 多泡声致发光（MBSL）温度研究

多泡声致发光温度测量主要分为2大类：动力学法测温、光谱分析法测温。

Suslick[17]利用动力学方程测量多泡空化过程中的温度，并采用比较速率测温法计算得到气相反应区的有效温度为5 200±650 K，液相的有效温度约为1 900 K。之后，Hart等[18]在不同含量的甲烷和乙烷氩气环境中，通过甲基自由基重组的动力学方式进行多泡空化的温度测量，测得含氩气的气泡温度约为2 800 K，而纯甲烷环境内空泡的温度为2 000 K。Tauber等[19]对挥发性底物叔丁醇在水溶液中超声分解的产物进行研究，经过推算泡内温度可达到约3 600 K。Misik等[20]利用动力学同位素效应的半经典模型，计算得出空化泡内温度范围在1 000～4 600 K。最近，Merouani等[21]通过气泡溃灭的动力学与气泡产生高温的化学动力学相结合的方法，实验结果估计溃灭气泡内的温度约为5 000 K。

Flint等[22]用激发态C2的声致发光发射光谱作为温度探针，通过合成光谱与观测光谱的对比表明，超声辐照硅油的有效空化温度为5 075±156 K。由于金属原子的电子激发和随后的辐射弛豫导致在MBSL光谱中观察到强烈且分辨率良好的发射线，Mcnamara等[23]和Alkemade等[24]使用金属原子激发态的多气泡声致发光作为空化气泡内部温度的光谱探针，利用原子发射理论合成光谱并进行对照试验从而测量出MBSL的温度。

2.2" 声致发光的压力研究

2.2.1nbsp; 单泡声致发光（SBSL）压力研究

对于SBSL期间空泡内部产生的压力估计值，Weninger等[25]通过RPE方程计算的半径-时间曲线，并与一个简单的绝热压缩模型耦合模拟单泡空化过程中的气泡运动得出水中SBSL压力值约为8 000 atm，由于压力的影响比重较大，利用PRE方程进行耦合计算会导致压力计算结果偏大，从而存在较大误差。Alhelfi[26]和Flannigan[27]利用数值模型研究了高黏性液体（如硫酸水溶液）中单个气体（氩）气泡被强迫作周期振荡的动力学，并从微米级氩气泡在硫酸水溶液中的破裂推算出破裂阶段气泡中心压力最大为1 023 bar。

Flannigan等[27]根据应用于氩原子发射线的等离子体诊断技术测量了硫酸中发光气泡内的平均压力约为1 500 bar，对于同一系统，还采用了光散射测量气泡动力学得到的压力值同样约为1 500 bar。

2.2.2" 多泡声致发光（MBSL）压力研究

Rayleigh[1]早在1917年利用流体力学模型理论模拟了在理想气体状态下的空泡塌缩，从而估计MBSL的空泡压力，计算气泡内部压力超过1 000 atm。Merouani等[21]利用计算机模拟MBSL反应的实验模型对空泡内部压力进行拟合，该模型将声场中气泡溃灭的动力学与单个气泡的化学动力学相结合，计算得到最大泡内压力约为1 400 atm。

根据MBSL光谱同样可以估算空泡的腔内压力，Mcnamara等[28]通过使用电子激发原子的发射线来确定在MBSL过程中产生的腔内压力，测得饱和氩硅油中气泡在发射点的压力约为300 bar。Suslick等[29]同样利用光谱来探测空化过程中的局部压力，在含有挥发性金属羰基的溶液中，超声波辐照会产生激发态金属原子，这种发射的线宽分析可以确定发射原子的碰撞寿命，并由此估计空化过程中的有效局部压力，对应的计算压力为1 700±110 atm。

3" 结束语

声致发光现象产生的高温和高压现象，在临床医学研究、物理实验和声化学方面都占据相当重要的位置。有关声致发光空泡内部的高温、高压研究，对于解释空化的作用机理具有十分重大的意义，是研究空化作用机理的重要途径。近些年来，许多实验针对空泡内部产生的高温和高压进行研究，主要采用理论建立模型、基于光谱分析获得声致发光过程中声压和温度，这些都为声致发光压力和温度的测量提供了新思路和新方法。

但是，无论是理论模拟还是基于光谱分析获得声致发光过程中的温度和压力，其结果都存在误差。理论模拟的误差源自理论计算值过于理想，忽略了空泡内温度和压强并非均匀分布的实际情况；而利用声致发光光谱测量误差在于空泡破裂过程十分短暂，测量过程中会出现能量损耗导致测量结果不准。如果可以将这些误差及损耗问题解决，得到更精准的温度和压力数据，那么可以为今后的研究提供有力的数据保障。

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基金项目：国家自然基金资助项目（12074051）；国家重大科研仪器研制项目（81127901）

第一作者简介：刘欢（1999－），男，硕士研究生。研究方向为高静水压下近固强空化。

*通信作者：李发琪（1970-），男，博士，教授，博士研究生导师。研究方向为超声空化。