气泡检测（精选9篇）
气泡检测 篇1
0 引言
水平仪是一种测量小角度的常用量具,常用于建筑、机械、仪表制造等行业。水平仪按照工作原理可分为气泡水平仪、电子水平仪、激光水平仪等。气泡水平仪根据水平仪上气泡偏离中心的刻度来判断平面是否水平,是应用最广泛的传统水平仪。电子水平仪分为电感式和电容式。电感式水平仪是靠感应线圈的电压变化来判断工件是否水平,而电容式水平仪则靠两端间隙的电容量来判断水平。电子水平仪主要用来测量高精度的工具机。激光水平仪是将激光装置发射的激光束导入水平仪的望远镜筒内,使其沿视准轴方向射出,并判断待测物是否水平的水平仪。本研究中提到的水平仪是一种气泡水平仪。
气泡水平仪在出厂前需要严格校准,即把气泡水平仪放在标准水平面上,从气泡偏离中心的程度来检验气泡水平仪是否合格。目前国内厂家在检测中主要依据人眼判断。由于人眼判断存在速度慢,误差大,不稳定,易受外界环境因素影响等问题,使得产品精度很难提高。因此,迫切需要一种能够对气泡水平仪进行精确检测的仪器。对于需要出口的产品,这个问题更显得刻不容缓。
目前,图像边缘检测与提取算法已有一些在工业环境下的相关应用。例如:王博
王金宝
几乎所有实时的数字图像采集系统都会碰到光源照明方法的选取问题。这个问题也是影响气泡位置检测的准确性的一个相当重要的因素。气泡水平仪的气泡是由加注了4/5的绿色油状液体的圆柱形腔体内剩余的空气形成的。由于气泡是封闭在一段上表面凸起的透明水准柱中,假如直接用光线在不恰当的角度下照射水准柱,将会产生强烈的反射光线进而干扰气泡边缘的检测。同时,如果从上方摄入图像,总会有或多或少如上所述的镜面反射效应。在本研究中,考虑一种背光照明的方法。当光源与摄像机位于被测物两侧时,此时的光称作背光,当被测物是透明物体时称作透射光。对于透明物体,背光可以用于检测被测物的内部部件。在本研究中,将采取从侧面摄入图像并且背光照明的方法。这样就可以避免使用正面照明造成的反射。
本研究针对气泡水平仪的自动标定问题,对机器视觉领域中的边缘提取算法、最小二乘法等进行研究。
1 图像预处理与图像分割
在进行目标识别与定位前,需要对采集到的图像作预处理,以便得到目标识别所需的输入图像。预处理是重要的环节,其效果直接影响到算法的检测精度
1.1 高斯平滑滤波
由于在工业现场的图像采集会受到电磁干扰、粉尘等因素影响,采集到的图像中会含有一定噪声成分。Canny提出了一种新的边缘检测方法,它对受到白噪声影响的阶跃形边缘是最优的
式中:σ—控制平滑程度的高斯滤波器参数。
σ较小的滤波器,由于分离事件的尺度较小,定位边缘的精度较高,但信噪比较低;σ较大,则反之。在采集到的图像中,左右参考线大约宽15个像素。反复试验可以得到,高斯平滑滤波器的掩模的边长大约要取为线宽的一半。这样的边缘提取是效果最好的。因此,本研究中的高斯平滑滤波器的掩膜的边长取为n=7,标准差取为σ=1.55。
1.2 梯度幅值和方向的计算
Canny算子利用一阶微分算子来计算平滑后图像各点处的梯度幅值G和梯度方向θ。这里,选用有限差分算子作为一阶微分算子,点(x,y)处坐标轴方向的偏导数Gx(x,y)和Gy(x,y)分别为:
式中:f—经过平滑后的图像。
点(x,y)处的梯度幅值和梯度方向分别为:
1.3 非极大值抑制
为了精确定位边缘,必须细化梯度幅值图像G中的屋脊带,而只保留幅值的局部极大值,即非极大值抑制(NMS)。非极大值抑制(NMS)可以看成一种局部最大值的搜索问题。它是许多计算机视觉算法的组成部分。Canny算子在梯度幅值图像G中以点(x,y)为中心3×3的领域内沿梯度方向进行插值θ(x,y)。如果点(x,y)处的梯度幅值G(x,y)大于θ(x,y)方向上与其相邻的2个插值,则将点(x,y)标记为候选边缘点,反之则标记为非边缘点,从而得到候选边缘图像N。
1.4 检测和连接边缘
Canny算子采用双阈值法从候选边缘点中通过检测和连接来得到最终的边缘。首先,研究人员应该确定高阈值Th和低阈值Tl。高、低阈值的选取决定了边缘点的数量。边缘点太少意味着一部分真实边缘信息的丢失,而且影响连接边缘,导致边缘连续性下降。边缘点太多又会引入噪声边缘,影响检测效果。然后,扫描图像,遍历候选边缘图像N中所有被标记为候选边缘点的像素点(x,y)。若点(x,y)梯度幅值G(x,y)大于阈值Th,则可以断定该点一定是边缘点;若点(x,y)梯度幅值G(x,y)小于阈值Tl,则该点一定不是边缘点。而对于那些梯度幅值处于两个阈值之间的像素点,则将其看作疑似边缘点,需进一步依据边缘的连通性来断定它们是否是边缘点。若该像素点的邻接像素中有边缘点,则认为该点也为边缘点,否则,该点为非边缘点。
在本研究中,自适应选取高阈值Th使得大于该高阈值Th的强边缘点的数量占图像像素总量的5%。笔者选取Tl=Th×40%。反复试验表明,使用该方法选取的阈值能够有效提取图像的边缘信息且对光照变化有较强的鲁棒性,图像分割结果如图1、图2所示。
图1 图像分割的结果(光照不足、镜头倾斜、Th=91.4、Tl=36.5)
图2 图像分割的结果(光照充足、镜头正对、Th=201.3、Tl=80.5)
2 左、右平行参考线识别与气泡位置测量
要判断水准柱的水平程度,就必须对分割后的图像中的气泡和左、右两条平行参考线进行准确定位。首先应该把左、右两条平行参考线从图像中识别出来。
2.1 左、右平行参考线的识别和定位
左、右平行参考线的识别和定位,可以采用霍夫变换,也可以采用最小二乘法,来得到左、右平行参考线的直线方程。
霍夫变换是在二值图像中寻找直线的一种相对快速的方法
在本研究的霍夫变换中,采用参数化的直线方程ρ=xcosθ+ysinθ。其累加平面的横轴θ的取值范围为[-45°,+45°],分辨率取为0.1°。纵轴ρ的取值范围为[0,1 000]pixel,分辨率取为1 pixel。
另一种方法是采用最小二乘法来拟合左右平行参考线的直线方程。最小二乘法是一种数学优化技术。它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。
设左参考线的直线方程为,右参考线的直线方程为。左、右平行参考线的识别和定位可以表述为如下极小值问题:
式中:n—左参考线上采集到的点的数量,m—右参考线上采集到的点的数量,x—左右两条平行参考线上的点的横坐标组成的列向量,y—左右两条平行参考线上的点的纵坐标组成的列向量。
令:
且由可得:
在本研究中,采用形态学中的轮廓跟踪方法,从下往上,搜索左、右两条平行参考线上所有连通的采样点。在实际应用中,取景框截取的图像通常不是整个工件而是类似于图1和图2的局部图像,且气泡上方会留有一定的白色区域,它们之间会有一条黑色边缘。从下往上搜索采样点既能够避开这条边缘,也能够更加简便快捷地找到左、右平行参考线。
原始的最小二乘法存在着一个缺点,即所有数据的贡献都是均等的。它没有考虑到其中存在着影响最后结果的异常点。如果仅仅是简单地采用最小二乘法,最后得到的结果将不能准确地反映实际情况。又由于在本研究中存在着采样结束的判定问题,考虑采用加权的最小二乘法。其具体步骤如下:
(1)从左、右两条平行参考线上各取3个点,计算出。
(2)反复从左右两条平行参考线上各取1个点,分别计算它们到的距离。若这个距离大于某个阈值(本研究中取3 pixel),则将这个采样点舍弃。否则,使用这个采样点更新。
在本研究中,采用如上所述的加权最小二乘法可以得到与采用霍夫变换相比相当的稳健性,且前者比后者在计算时间和内存占用上都要少得多。
2.2 气泡左右端点的识别和定位
识别和定位了左右平行参考线后,实现气泡左右端点的识别和定位就比较容易了。在本研究中,将采用基于二分变步长的轮廓跟踪算法。
假设通过加权最小二乘法拟合出来的左参考线的直线方程为ρn=xcosθ+ysinθ,右参考线的直线方程为ρm=xcosθ+ysinθ。则中线到原点的距离ρo=(ρn+ρm)/2。
识别和定位气泡左端点A的轮廓跟踪算法,步骤如下:
(1)取点为A(ρo/cosθ,0),步长为d=(ρm-ρn)/4。此时,点A的精度为±2 d。
(2)沿着θ+90°方向,以1 pixel为步长,移动点A,逐点搜索。如果在点A的移动轨迹上存在着边缘点,则将点A沿着θ+180°方向,移动d pixel。否则,将点A退回到初始位置,沿着θ方向,移动d pixel。将步长d减为一半,重复此步骤(2),直到点A的精度2 d小于0.5pixel。识别和定位气泡左端点B的轮廓跟踪算法,以此类推。
假设算法搜索出点A(xA,yA),B(xB,yB)。则有,过点A的切线到原点的距离为ρA=xAcosθ+yAsinθ。过点B的切线到原点的距离为ρB=xBcosθ+yBsinθ。
气泡偏离中心的距离Dbias由下式计算:
式中:Dbias<0—气泡偏左;Dbias>0—气泡偏右;Dbias=0—气泡位于中心。
为得到以毫米为单位的物理距离,在检测前需对摄像机进行标定。此标定较简单,只需得到毫米数值与像素数值之比γ即可。
3 实验及结果分析
本研究应用该算法对气泡水平仪进行检测,任取的两个图像的检测结果如表1所示。
表1 测量结果(原图分辨率1 600×1 200,γ=0.037 5)
不同光照条件下采集到的图像如图3、图4所示。
图3 采集到的图像(光照不足)
图4 采集到的图像(光照充足但镜头倾斜)
不同光照强度下气泡偏离中心的实测距离如图5所示。
图5 不同光照强度下气泡偏离中心的实测距离
从实际检测结果可以看出,在处理成像质量不好的图像(如光照不足、水平尺与摄像机光轴斜交时所采集到的图像)时,该算法依然能得到较为满意的检测效果。
该检测算法已制成软件包,并已投入实际应用。该软件的界面是基于MFC框架的。本研究使用Open CV v1.0中的cv Smooth和cv Canny函数完成了图像预处理和图像分割
图6 软件的界面
4 结束语
本研究所提出的气泡水平仪实时自动检测系统不仅对质量较差的图像有很强的鲁棒性,而且具有很高的实时性和检测精度。使用方对检测效果感到满意。
本研究所开展的工作只是阶段性的,还有很多方面需要改进。例如:为了能在工业现场中长时间使用,需要在将来加入抗震装置来应对工业环境中的震动,加入光屏蔽罩来防止外界环境光对图像采集区的干扰。为了进一步提高气泡检测定位的速度和精确度,可以考虑在将来使用一种基于灰度图像的轮廓跟踪算法来更加快速地把左、右参考线上端点和气泡左右端点给找出来。另外,可以考虑进一步开发具有自动矫正水准柱倾斜角度功能的机电控制系统。
气泡检测 篇2
对于生命，我已经快要忘记了它的定义。这个宇宙里，有人迫不及待的迎接死亡，有人拼命守住生命，这两个极端，都是最无可救药的，我想，我终于知道了。
到底生命是什么东西？
“绽放时可以绚烂，消失时可以黯然，记得时，很重要，忘记时，似乎从来没有出现过。”这是人类对待生命的看法。
太阳下山的时候，云朵烧得鲜红，刺痛了心。
从什么时候开始，我迷恋上的生命，选择逃避？
我听见蜻蜓翅膀的声音，颤动，颤动。最后终于平息，它停下了，歌唱着那些消逝的生命。
终于，云朵烧成了灰烬。
叶子，开始了新一轮生命的循环，露珠早已被蒸发，沙滩洒满了墨绿色的光芒，我想用类似正常的心情欣赏这一切。
海鸥的声音盖过了大海，听见鱼儿在海鸟嘴里挣扎的声音，这是本能，保护自己生命的本能，空气很潮湿，所以眼睛里有温暖的东西，才知道，是泪水，原来，泪水是这样的咸。
月亮升起了，天空透亮的恐怖，感到刺骨的寒冷。
才知道，
眼泪，是海水一样的咸。
生命就是鱼吐出的气泡，破了，就这样破了。
天堂里的日子，快乐么？
气泡检测 篇3
关键词：方向小波变换,弱小气泡,迭代阈值,数学形态学
镁合金作为最轻的金属结构材料,因具有高强度、低密度、散热性和减震性好等优点在现代工业中被广泛使用。但是,由于镁合金在熔炼过程中吸收氢出现显微气孔,严重影响其力学性能。因此,有效检测镁熔液含氢量成为目前研究的热点。华中科技大学[1]研制的镁熔体快速定量测氢仪根据第一气泡原理可以快速有效地检测出镁熔液的含氢量,但是测试结果不稳定,原因在于对第一气泡的捕捉存在超前或滞后的情况。
文献[2]运用传统二维小波变换对气泡进行了检测。由于处理图像的二维小波只是水平和垂直方向的一维小波的张量积,不能充分利用图像自身的几何特征来获取图像中的方向信息。然而,方向小波是对传统小波的多方向扩展,在继承了传统小波变换可分性特点的基础上克服了传统二维小波变换在图像处理中不能很好地捕捉图像方向特性的缺点,其丰富的分解方向更加充分地把握了图像中的细节信息[3,4],比传统小波变换具有很大的优越性。因此,本实验拟运用方向小波变换对弱小气泡进行检测。
1 方向小波变换
Velisavljevic 等[5]在多尺度几何分析思想的影响下提出了一种新的图像处理方法——方向小波变换。方向小波变换不仅保持了传统小波变换的多尺度分析优点,同时还具有良好的方向分析能力,能够用多尺度的方法分析出图像的方向特征。
设ψ(t)∈L2(R),其傅里叶变换为undefinedundefined,当undefinedundefined满足条件(完全重构条件):
undefined
称:
undefined
(2)
是函数f(t)∈L2(R)的连续小波变换,其中ψ(t)称为基小波;a为尺度参数,b为位置参数。
用L2(R2)表示平面上平方可积函数空间,即:
undefined
(3)
设f(x,y)是一幅图像,容易证明,平面上有限区域中的一幅图像的能量是有限的。根据式(2),给出方向小波定义,令undefined,则f(x,y)的方向小波变换为:
DWf(a,b,θ)=∫R∫Rf(x,y)ψa(xcosθ+ysinθ-b)dxdxy
(4)
式中:小波沿θ方向,0≤θ≤π。这里当θ和b确定以后,xcosθ+ysinθ=b可表示二维空间中的任意一条直线,代表方向小波变换的方向。可以证明f(x,y)的方向小波变换实际上相当于f(x,y)沿各个方向上做投影,而后做一般意义下的一维小波变换的“两步合一”运算。因此它具有传统小波变换所具有的时频局部化分析能力,并且具有良好的方向分析特性[6]。
2 弱小气泡检测算法
本实验提出的目标检测算法分为以下几个步骤:原始图像的方向小波分解、高频图像重构、帧差运算、迭代阈值分割、数学形态学开运算。在上述步骤中最重要的就是方向小波变换后的高频图像重构,因为弱小目标处在图像信息的高频部分,高频图像重构的效果直接影响到最后的检测结果。具体算法实现流程图如图1所示。
(1)对气泡析出前后两幅图像分别进行方向小波分解,提取两幅图像的高频信息。对于一幅数字图像,其尺寸为N×N,可以将它视作一个函数f(x,y)。方向小波变换可以认为是首先沿不同方向上作投影变换,然后再作一维小波变换的结论,所以对图像进行方向小波变换分以下3个步骤进行[7]:①按照图像的纹理、灰度的复杂程度与所要进行检测的目标,选择一组不同的投影角度{θ},沿着这些方向分别对图像f(x,y)进行Radon投影变换。②选择小波函数Ψ,在确定的尺度a下,对已经获得的投影数据进行一维小波变换,获取投影数据的高频分量。③对高频分量进行图像重构,得到原始图像的高频细节图像。
(2)对两幅高频图像作帧差处理。仅利用单帧图像的高频信息,没办法从众多分量中确认目标,需要进一步利用序列图像的时间特性从时域上来检测。由于帧差运算是对目标出现前后两帧图像相减,相当于时间维的梯度计算,两幅高频图像中都包含的一些固定不变的细节被有效地去除,而目标信息基本保持不变。式(5)是帧差运算的计算方法:
Δf=f2(x,y)-f1(x,y) (5)
式中:f1(x,y)是t1时刻的图像帧,f2(x,y)是t2时刻的图像帧。
(3)迭代阈值分割。在迭代过程中,关键之处在于选择的阈值改进策略。好的阈值改进策略应该具备2个特征:一是快速收敛,二是每一步迭代产生的阈值优于上一次阈值。本实验选择的迭代过程分为以下4个步骤:
①把图像的灰度中值作为初始阈值T0;
②利用阈值T0把图像分割成两个区域R1、R2,并计算区域R1和R2的灰度均值r1、r2;
③计算r1、r2之后,用式(6)计算出新的阈值Ti+1:
Ti+1=(r1+r2)/2 (6)
④重复以上步骤,直到Ti+1 和Ti的差小于给定值,并以Ti+1为最终阈值[8],分割图像得到候选目标。
(4)数学形态学开运算识别目标。数学形态学是一种应用于图像和模式识别领域的新方法,基本思想是用具有一定形态的结构元素去度量和提取图像中的对应形状以达到对图像分析和识别的目的。开运算就是使用结构元素先对图像进行腐蚀,然后进行膨胀的结果,用结构元素B对图像A进行开运算表示为A°B,定义为:
A°B=(AΘB)⊕B (7)
式中:Θ表示腐蚀,⊕表示膨胀。开运算主要起分离的作用,将比结构元素小的孤立部分和突刺过滤掉,而主要波峰保持不变[9]。
3 结果与分析
镁熔液原材料为AZ91D镁合金锭,本实验系统采用的摄像机为德国Mikrotron GmbH制造的MotionBLITZ cube4.0高速相机,相机最大分辨率为1280 pixel×1024 pi-xel,最大拍摄速度为1000f/s。利用该摄像机获取第一气泡析出前后一系列连续图片,拍摄速度为30f/s,图像大小为512 pixel×512 pixel。图2为得到的第一气泡析出前后的两帧图像,图2(b)中方框内的白点为析出的弱小气泡。从图2中可以看出,图像背景非常复杂,根据信噪比公式算得含有目标的图2(b)的信噪比SNR=0.9029,如此低的信噪比说明气泡目标为弱小目标:
undefined
式中:ma为目标的灰度均值,mb为背景的灰度均值,σb为背景灰度标准差。
在小波分析过程中,小波基函数和分解尺度的选择非常重要,不同的小波基具有不同特性,适应不同的场合。这里选取紧支撑双正交小波基函数biro3.7,对原始图像进行3层方向小波变换。为了更好地重构高频图像和抑制背景,经过实验确定投影角度θ∈[π/18,2π],间隔为1°时效果最佳。为了便于显示和观察高频图像,在不改变图像对比度的前提下,对重构的高频图像分别作5倍的线性增强,如图3所示。对方向小波变换后的两幅高频图像进行帧差运算和迭代阈值分割,得到含有目标和少量杂质的二值图像,如图4所示。
构造一个半径为1的扁平圆盘结构元素,对图4(b)进行开运算获取弱小气泡目标。开运算可以去除比结构元素小的特定图像细节,最后获得的弱小气泡目标如图5所示。
为说明方向小波变换的优越性,与传统小波变换算法进行了对比(见图6)。图6为传统小波变换后帧差运算得到的三维灰度图和阈值分割图像。
表1为两种算法的性能参数对比,通过表1可以看出,基于方向小波变换的帧差及迭代阈值分割算法得出的三维灰度图像在均值、方差和信噪比方面较传统的小波变换方法有较大的改善与提高,信噪比提高了48.63%。对比发现,图4中方向小波变换方法得到的三维灰度图像像素更明显地集中在低灰度区,仅有目标和少量杂质灰度值突出,阈值分割后图像杂质少,目标清晰。这是由于原始图像经过不同方向的投影变换、一维小波变换、图像重构等处理步骤,图像的细节被较好地保持,同时抑制了背景和噪声,帧差处理后两幅图像中一些固定不变的高频细节被有效去除,因此阈值分割后的图像杂质较少,达到了较好的预处理效果。
4 结论
根据弱小气泡的特点和方向小波变换多尺度多方向的优点,在不同方向上对图像进行多尺度分解,提取高频图像。由于方向小波的多方向特点能够充分抓住图像的方向特性,因此能够较好地保留图像中的细节信息,帧差运算及迭代阈值分割后的杂质较少。实验结果表明,本实验提出的方向小波变换方法能有效检测出复杂背景中的弱小气泡,并且在检测效果上比传统小波更具优势。
参考文献
[1] Wu Shusen(吴树森),Xu Sixiang(许四祥),Mao Youwu(毛有武),et al.Rapid measurement of hydrogen content inmagnesium alloy melt(镁合金熔液含氢量的炉前快速检测研究)[J].Special Cast Nonferrous Alloys(特种铸造及有色合金),2007,27(2):95
[2] Xu Sixiang(许四祥),Ma Aiping(马爱萍),Wang Min(汪敏),et al.Study on detection method for the first bubble ofthe surface based on wavelet analysis in magnesium alloymelt(基于小波分析的镁熔液第一气泡检测方法研究)[J].Special Cast Nonferrous Alloys(特种铸造及有色合金),2010,30(8):697
[3] Wang Zhenjian(王贞俭),Qu Changwen(曲长文),Sha Xiu-yan(沙秀艳).Algorithm of differential filtering for imagedenoising based on directionalet(基于方向小波的差值滤波图像去噪算法)[J].System Simulation(系统仿真学报),2007,19(9):2127
[4] Wang Zhenjian(王贞俭),Qu Changwen(曲长文).SARspeckle filtering using selective threshold in directionalet do-main(方向小波域的选择性阈值SAR图像去噪)[J].ImageGraphics(中国图象图形学报),2009,14(1):65
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大班科学教案《自制气泡弹》 篇4
长期以来幼儿园的科学活动涉及物理和生物方面的内容比较多，而关于化学实验的内容非常的少，其实化学活所涵盖的内容是非常丰富的，不少的内容是与幼儿的生活息息相关的。醋和苏打反应产生大量的气泡让孩子非常感兴趣，这一点给了我启发，我尝试在矿泉水瓶盖上打洞，插进吸管，然后再把醋放进矿泉水瓶里，加入苏打后立刻盖上瓶盖，果然和预期的一样，反应中产生的气体将瓶中的液体通过吸管挤了出来，喷的很高。我又利用了孩子最喜欢的动画片，喜洋洋和灰太狼这一素材，编了一个打倒灰太狼的故事背景，让孩子在游戏中学习。大班幼儿随着年龄的增长和知识经验的日益丰富，已不满足于了解某种现象，他们更对探究事物变化规律的实践过程感兴趣，而且也更乐意利用这些想象进行一些更进一步的活动。作为教师，我们要要善于发现幼儿生活中的突发事件所隐含的`教育价值，支持探索的兴趣，促进活动发展。
活动目标：
1、通过小实验知道苏打水和醋可以产生气泡、学会记录。
2、进一步了解醋、小苏打与泡泡之间的关系。
3、培养幼儿观察和动手操作能力、调动学习积极性。
4、对科学活动感兴趣，能积极动手探索，寻找答案，感受探索的乐趣。
5、发展合作探究与用符号记录实验结果的能力。
活动准备：
1、每两个人用6个杯子，一个勺子，一个透明塑料瓶，一个插好吸管的盖子，一个小脸盆，一块抹布，一个透明漏斗，一个碗
2、醋、苏打粉、冰红茶、橙汁、酱油
3、教师记录表。
4、PPT活动过程：
一、导入
师以羊村长的口气：各位小朋友们，早上好!我是慢羊羊村长。欢迎你们来到我的羊村，今天，除了来了你们这群小朋友以外，还有很多客人老师也来到了羊村，我们回过头去和她们热情的打个招呼。(这时电话铃响了，播放报警录音)咦，电话铃声响了，我来听听是谁?(接电话)天呐!灰太狼即将要带着他的新武器来攻打我们青青草原了。小朋友，请你们帮我一个忙，也发明一个新武器来对付灰太狼，好吗?好的，那首先想一想要制造一个什么样的武器呢?(幼儿回答)那我们就来制造一个威力巨大的，会冒泡泡的气泡弹。
二、小实验
师：要想制造气泡弹就一定要用到苏打水，可是苏打水和哪个好朋友相聚在一起会冒出泡泡呢?今天我给大家准备了苏打水，还有许多不同的材料，有醋宝宝、酱油宝宝、冰红茶宝宝和橙汁宝宝，等着小朋友们去寻找这个答案。如果有泡泡冒出来，就说明我们找到了想要的答案。现在就请小朋友们安静地走到桌子边找答案吧!
有一组小朋友已经找到了答案，我请一个小朋友来回答苏打水和什么宝宝相聚在一起会产生很多气泡啊?(幼儿回答：醋)
三、实验一
师：小朋友很聪明，找到了答案，下面我们就要正式开始制造我们的气泡弹了。这里有一段喜羊羊的爸爸，羊博士送来的视频，教我们在座的小羊如何制造气泡弹，请仔细观察视频哦!(观看)
看完视频了，我请一个小朋友来说一说如何制作气泡弹，小朋友说，我来操作。(先加入50毫升的醋，看好刻度线，瓶子上有一个数字50，只要把醋倒到数字旁边的线就可以了，为了防止醋不倒在外面，我们可以使用这个漏斗。(教师示范后方旁边)。然后我们再来制作苏打水，挖一勺苏打粉到水里搅拌均匀，利用漏斗倒入瓶中，迅速把吸管插入瓶中，盖子盖紧，不要留下空隙)
看来小朋友们都会了，我这里还有一张实验流程图，如果记得不清楚的小朋友可以看着图操作。在操作的时候，如果有小水珠喷出来，观察完后拿一块抹布把桌子擦干净。还有一个要求就是实验结束要求小朋友来记录你的实验结果，有没有成功。我们来看一下记录表。介绍记录表
好，现在请小朋友们开始操作吧!
四、讲解第一次结果，查看分析记录表，总结出不成功。并做第二次试验
师：实验做完了，谁来说说你观察到什么现象?(瓶子里有泡泡产生?没有从吸管里冒出来吗?)啊呀，我们第一次做的气泡弹没有打倒灰太狼，听听灰太狼还发出了奸诈的笑声。不行!看来我们要把实验改良一下。刚才说了，瓶子里泡泡不多，所以没有从吸管里冒出来。那这次我们加大剂量，试一试倒70毫升的醋，加2勺苏打粉会不会产生很多很多的泡泡。请小朋友再做一次科学家吧!
五、讲解第二次结果
师：看着小朋友的笑脸，看到记录表上这么多的勾，我知道一定有好结果了，你们一定是成功了。小朋友来说说你观察到了什么?(泡泡从瓶子里冒出来了)哇!小朋友们都很聪明，我们把气泡弹制造出来了，看看灰太狼什么反应呀?
六、总结
看看这张表格，我们可以得出一个怎样的结果呢?(醋比第一次用的多，苏打粉比第一次用的多，冒出的泡泡也就更多)
今天每只小羊们都很棒，大家团结协作，开动脑袋，做出了气泡弹，打走了灰太狼，那我们就来唱首歌庆祝一下吧!
活动实施效果：
用醋和小苏打制作的气泡弹配上喜洋洋和灰太狼的主题，小朋友们都非常喜欢，热情十足地开展了活动。在活动中，我设计了三次实验，让孩子们清楚地了解到醋和小苏打能起反应，冒出泡泡，并且醋和小苏打加的越多，泡泡冒得越多。在实验结束后，记录实验结果也是本节课的重点，让孩子们学会看懂记
录表，并能从记录表中看出实验的结果。实验不能由一个人完成，需要两个伙伴互相帮助，商量后再行动，两人实验也能确保每个人都能进行操作。我设计了喜羊羊和灰太狼的故事背景，孩子们激情洋溢地参与了每次实验，也取得了相应的效果，在孩子们打败灰太狼欢乐的气氛中结束本次活动。
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8.大班优秀科学教案:指纹
谈气泡混凝土施工工艺 篇5
气泡混凝土是通过气泡机的发泡系统将发泡剂用机械方式充分发泡，并将泡沫与水泥浆均匀混合，然后经过发泡机的泵送系统进行现浇施工或模具成型，经自然养护所形成的一种含有大量封闭气孔的新型轻质保温材料。它属于气泡状绝热材料，突出特点是在混凝土内部形成封闭的泡沫孔，使混凝土轻质化和保温隔热化。
1 特点
1)轻质性:干体积密度为300 kg/m3～1 600 kg/m3，相当于普通水泥混凝土的1/5～1/8左右，可减轻建筑物整体荷载。2)整体性:可现场浇筑施工，与主体结合紧密，不需留界隔缝和透气管。3)低弹减震性:气泡混合轻质土的多孔性使其具有低的弹性模量，从而使其对冲击载荷具有良好的吸收和分散作用。4)抗压性:抗压强度为0.6 MPa～25.0 MPa。5)耐水性:现浇气泡混合轻质土吸水性较小，相对独立的封闭气泡及良好的整体性，使其具有一定的防水性能。6)耐久性:与主体工程寿命相同。7)施工速度快:只需使用简单的机器就可实现自动化作业，可实现800 m的远距离输送，工作量为150 m3/工作日～300 m3/工作日。8)环保性:气泡混合轻质土所需原料为水泥和起泡剂，起泡剂为中性，不含苯、甲醛等有害物质，避免了环境污染和消防隐患。9)经济性:综合造价低。10)其他特性:气泡混凝土具有强烈的分散性和安全的流动性，能够形成均匀独立的气泡;吸收率较低，强度较好，可按施工要求的强度按配合比进行配置，施工不受气候的影响。在湿度偏差很大的施工现场，可自由使用该材料，可根据设计要求施工，工序简易。具有防潮抗渗性，长期潮湿的环境下不变形，对质量无影响。
2 施工准备
2.1 技术准备
1)已经按要求铺设完毕，并验收合格;2)根据设计要求通过试验确定配合比。
2.2 材料要求
1)水泥:宜采用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥，其强度等级应在32.5以上。2)砂:应选用水洗粗砂，含泥量不大于3%。
2.3 主要机具准备
根据施工条件应合理选用适当的机具设备和辅助用具，以达到设计要求为基本原则，兼顾进度及经济要求，常用机具设备有:混凝土搅拌机，混凝土输送泵，平板振捣器，手推车，计量器，木抹子等。
2.4 作业条件
1)配合比试验室已经确定。2)基层清理干净，浇捣混凝土之前应洒水湿润。
3 施工工艺
工艺流程:检验水泥砂子发泡剂质量→配合比试验→技术交底→准备机具设备→基底清理→找标高→搅拌浇筑混凝土→找平压光→养护→检验验收。
1)基底处理:把基底垃圾清理干净，并在浇筑混凝土前洒水湿润。2)找标高:根据水平标准线和设计厚度，在四周悬挂标高控制线。3)混凝土搅拌:混凝土的配合比应根据设计要求通过试验确定，投料必须严格过磅，精确控制配合比，每盘料顺序为水泥砂子发泡剂水。4)按规定留试块。5)铺设:铺设前应将基底湿润，并在基底上刷一道素水泥浆或界面结合剂，将搅拌均匀的混凝土逐层浇筑，在振捣或滚压时低洼处应用混凝土找平。6)找平，压光:当面层灰面吸水后，用木抹子用力搓打抹平。第一遍:用铁抹子轻轻抹压一遍直到出浆为止。第二遍:当面层砂浆初凝后，用铁抹子把凹坑砂眼填实抹平注意不得漏压。第三遍:当面层砂浆终凝前，用铁抹子用力抹压，把所有抹纹压平压光，达到面层表面密实光洁。7)养护:应在施工完成后24 h左右覆盖和洒水养护，每天不少于两次，严禁上人，养护期不得少于7 d。
4 安全环保措施
1)在运输堆放施工过程中应注意避免扬尘遗撒粘带等现象，应采取遮盖封闭洒水冲洗等必要措施。2)运输施工所用车辆，机械的废气噪声等应符合环保要求。
5 效益分析
1)通过实践，气泡混凝土施工简便，操作容易，加快工程进度。2)性能稳定，质量较好，没有出现开裂空鼓起砂等质量通病。3)通过与普通混凝土相比，节约材料人工费取得了较好的经济效益。
参考文献
气泡检测 篇6
英国牛津大学6月8日宣布, 牛津大学与北爱尔兰大学正合作开发一种含有大量氧气泡的“气泡饮品”, 用以提高化疗对癌症的治疗效果。先前研究发现, 细胞缺氧是一些癌细胞扩散、治疗效果不理想的重要原因。这时随着肿瘤的生长, 血管会不断被扭曲, 传输能力变弱, 氧气无法正常输送, 化疗药物很难抵达肿瘤的中心区域。为了供氧, 目前的通用做法是让病人吸入纯氧或将含氧液体直接注射到肿瘤生长部位等, 这些做法虽然有效但会带来很大副作用, 包括给肺部表面以及神经系统带来损伤。
在动物实验中, 牛津大学研究人员给患胰腺癌的实验鼠喝下富含氧气泡的液体, 结果发现实验鼠癌肿的缺氧状态得到明显改善, 化疗效果有显著提升。研究人员表示, 胰腺癌是一种典型的“缺氧”型癌症, 死亡率高、治疗效果不理想。如果通过饮品的形式让病人将氧喝进体内, 有望提升化疗药物的效果, 而且风险更小、成本更低, 他们计划下一步开展临床试验。
(摘自《中国科学报》2016年6月13日第2版国际)
利用气泡法改进里氏硬度计 篇7
里氏硬度测试法是由瑞士里勃笼玩在年首先提出的,属于动载硬度测试法的范畴,是对肖氏硬度测试方法的一大改进和提高。它利用冲击体对试样表面进行冲击,以冲击后的回弹速度与冲击速度之比来评定材料硬度大小。当冲击体冲击试样时,其冲击能量一部分变成塑性变形功被试样所吸收,而另一部分则转变成弹性变形功被试样贮存起来。当试样弹性变形恢复时,贮存的能量被释放出来,迫使冲击体沿一定的速度回弹。若材料弹性极限越高,塑性变形就越小,而贮存的能量就越多,迫使冲击体的回弹速度就越大,表明材料的硬度就越高[2]。
里氏硬度计的硬度值可用如下公式表示[3]:
式中,LD为硬度值
VR为冲头的反弹速度m/s,
VA为冲头的冲击速度m/s,
探头的冲击速度和回弹速度是利用电磁感应原理测得的。硬度计上的微处理器会自动记录处理,将硬度值直接显示在液晶显示屏上,并由打印装置打印出测试报告。
对于常用金属材料如钢、铸铁、铜合金、铝合金,里氏硬度与其它硬度布氏、洛氏、维氏、肖氏等都有相应的换算关系,里氏硬度计将这些换算关系全部贮存在微处理器中,经处理后可以把测得的里氏硬度值直接换算成所需的硬度值,在显示屏上显出[2]。
要使(1)式成立,必须满足冲击体的反弹速度与冲击速度在同一条直线上。所以硬度计必须保持竖直。而在现行的测试方法中,往往单纯凭借经验丰富的测试人员的感觉来确定硬度计是否竖直。这不仅带来了试验误差,而且在很大程度上增加了试验的难度。
里氏硬度计作为一种简便易携的硬度测试装置,具有测量范围广、操作方便、快速、并且可以从不同方向进行测试等优点,广泛适用于公司、实验室等众多场合。所以,一种能够取代测试人员的经验来判断硬度计是否数值的方法亟待提出。
1 气泡法
气泡水平仪广泛应用于台球桌、天平、机床上等。气泡水平仪的原理是利用气泡在玻璃管内,气泡可经常保持在最高位置的特性。
在里氏硬度计的顶端加上如图1的圆形水泡装置。该水泡装置体积小巧,并可很好的与里氏硬度计原有的结构融为一体,也不会影响使用时手部的操作。使用时,从硬度计的顶部观察,当气泡的位置与标准位置重合时,即可确定硬度计是否竖直。
气泡法的误差主要是由于容器内壁和容器中的液体有一定的亲和能力,在它与液体和气体分界面接触的区域液体位置会略微高于内部。从外部观察时液体层和气体层的分界模糊,从而在判断气泡是否与标准位置重合时会有误差。
为了提高水泡法的精度,可采用粘滞系数较小的液体,如酒精、乙醚等,并采用合适的容器内壁材料,使内壁与液体的亲和性尽可能小。
2 结语
对现行里氏硬度计的原理和使用缺点进行了分析,提出了利用气泡法的改进方案。对里氏硬度计的设计有指导作用。
参考文献
[1]王从曾等.材料性能学[M].北京工业大学出版社,2008:48.
[2]谷春睿,李彪.一种新型测试仪器——里氏硬度计[J].现代仪器,2000(6):34～35.
舰船尾流气泡后向光散射特性研究 篇8
1 尾流气泡分布特点
对于较大气泡, 其半径随浮升速度变大, 气泡内气体密度的变化对气泡尺寸的影响要比气体溶解对气泡尺寸的影响大, 当气泡浮升至水面时, 半径已经增大, 随后破碎;对于较小气泡, 随着时间的推移, 半径逐渐变小, 直至最终溶解不能上升至水面。较大和较小半径之间存在一个临界半径, 经理论分析和实验测量, 这个临界半径为44.2μm, 在临界点附近的气泡存活时间最长, 半径为40μm~50μm的气泡存活时间最长, 数密度最大[1]。
舰船尾流中气泡的数密度和分布除与尾流的几何特征尺寸有关外, 还与气泡的浮升和溶解有关。最初产生时, 气泡的尺寸分布主要集中在1000μm以下, 由于表面活性剂对气泡表面张力及气泡内气体扩散的影响, 增加了小气泡在水中稳定存在的可能性, 因此, 10μm~20μm的气泡密度数最高。利用声学和光学手段在海洋环境中的实测表明, 海洋中存在的气泡半径位于3μm~300μm之间, 而其中以40μm~80μm的气泡居多[2]。尾流中气泡大小的分布与海洋背景相似, 气泡数密度比海洋背景中高, 并且气泡之间的平均距离远大于气泡的半径[3]。1946年, 美国国防研究委员会第六局用声呐测量了以航速15kn航行的驱逐舰产生的尾流气泡分布规律, 发现尾流中气泡直径为0.08mm~1.07mm的气泡数密度达5.98×10 6/m3, 比周围海水的气泡数密度高1~2个数量级[4]。利用激光全息技术研究表明, 半径在10μm~15μm之间, 每1μm半径宽度对应气泡数密度可达10 6个/m3[5]。舰船尾流中的气泡随时间的增加, 即沿尾流长度方向, 由于气泡的浮升和溶解, 数密度会迅速降低。气泡数密度的衰减满足下面的指数方程:
其中, N0, N1和t1与气泡直径有关, 取值见表1。
在尾流深度方向上, 气泡在形成初期, 由于螺旋桨的作用, 形成一片沿尾流深度比较均匀的气泡分布;随时间的增加, 气泡在浮升力和环境压力的作用下逐渐浮升, 数密度随着深度的增加逐渐减小。在尾流宽度方向上, 由于螺旋桨搅动, 气泡在尾流中心处数密度较高, 同一深度的气泡数密度分布满足高斯分布[6]。
2 气泡后向光散射特性
2.1 单气泡的Mie散射
光学特性主要是气泡群对光的散射、吸收而使入射波的传播方向发生变化, 能量大大减小。从几何光学角度看, 散射是衍射、折射和反射三部分光能的简单叠加, 但几何光学不能很好地解释气泡的光散射特性, 且波动光学中经典的夫琅和费衍射理论也已不再适用, 而Mie散射理论却能较好地解释光能的分布情况, Mie散射理论就是麦克斯韦方程对处在均匀介质中的均匀颗粒, 在平面单色波照射下的严格数学解。研究尾流的光散射特性首先要从单个气泡的散射特性入手, 1907年由Mie G提出, 现在在天文、气象、粉尘测量等众多领域中都有应用 (图2) 。
介质中波长为λ的非偏振单色光照射时, 在散射角为θ、距离气泡为r的观察点, 散射光强为:
式中S1, S2为幅值函数, 可表示为:
式中an, bn为Mie散射系数, 计算公式为:
其中ϕn, ξn贝塞耳函数和汉克尔函数, ϕ'n, ξ'n为其自变量的导数。
式中pn为勒让德函数, pn (1) 为m=1的缔合勒让德函数。
当激光波长λ=532nm, 泡的相对折射率m=0.75时单个气泡的角散射函数, 图2所示。坐标为散射角, 纵坐标为某一角度时的角散射函数, A图为r=10μm气泡的情况, B图为r=50μm气泡的情况。比较A、B两图可以看出, 在散射角180°附近, 气泡越大, 角散射函数也越大, 这说明气泡越大, 后向散射就越强。Trevorrow研究发现[7], 和尾流边缘相比, 尾流中心聚集着较大的气泡, 并且数密度也较高, 从而我们可以判断出尾流中心气泡群的后向散射要高于尾流边缘的后向散射, 在利用尾流进行自导时应充分利用尾流中心部分。
2.2 后向光散射实验分析
实验装置由光源、气泡幕产生装置、信号接收器以及数据采集, 处理装置组成。实验中光源使用的是发射功率为50MW, 波长为532nm的激光器, 气泡幕产生装置由微孔陶瓷管组成。实验中分别对水平面的激光反射强度及气泡幕的散射光强度进行了测量 (图3) 。
首先对无气泡、水面有波动情况下的反射情况进行测量, 接收到的信号如图4所示。在不考虑水面波动的情况下, 对静水中存在气泡时的后向散射光进行测量, 接受信号如图5所示。
由图可见, 水面的波动对于后向散射光的接收存在很大的影响, 而且其信号幅值要比有气泡时的接收信号大得多。在不考虑水面波动的情况下, 静水中不断产生的气泡在激光照射下将产生明显的后向散射, 反映在图5上即为接收信号在波动频率上的不断变化。但是由于水面反射的影响, 在信号接收幅度上的变化则不是很明显。因此, 在实际海况下若是直接从信号的幅度中分辨海水中的气泡存在情况将比较困难。若从信号的频率上看, 水面引起的接收信号幅度变化主要是由于波浪运动引起的, 波动频率相对较低, 而水中存在气泡时的接收信号幅度变化则是由于气泡的浮升、破灭等运动引起, 相对于波浪运动来说信号幅度变化相对较快, 由图4, 图5中接收信号的变化中可看出上述规律。
在不考虑水面反射条件下, 静水中产生气泡幕后所接收到的信号如图7所示。由图7可知, 在不考虑水面反射的条件下, 气泡的后向散射光强度相对于静水时变化明显。进一步考虑静水时和有气泡存在时接收信号的频率特性, 分别如图7、图8所示。当水中无气泡存在时, 接收到的主要是水分子和水中微粒的后向散射光信号, 相对于气泡的后向散射光信号, 静水中的接收信号可视为背景噪声。从图7可看出, 该部分信号相对比较均匀地分布在低频部分的各个频率分量上。而当有气泡存在时由于气泡在水中的浮升运动, 使得接受信号产生明显的幅度变化。半径在1μm~100μm的气泡对应的上浮速度为0.003mm/s~30mm/s。假设气泡直线上浮, 则在此半径范围内的气泡在上浮过程中通过某一固定点的频率范围为2Hz~150Hz。考虑各气泡之间的间隔, 假定为4R, 则通过频率约为0.7Hz~50Hz, 同时在气泡的上浮过程中并不一定是直线运动[8], 因此, 图8所示的有气泡存在时接收信号的低频特性应为气泡浮升运动所引起的频率变化。该频率变化与气泡的浮升运动的具体对应关系有待进一步的实验论证与分析, 但作为区别静水与有气泡幕存在情况下的后向散射光信号差异, 接受信号频谱幅度上的这一低频特性通过实验可以得到较好的验证。利用这一特性可用来识别舰船尾流中存在的气泡, 从而达到跟踪、识别舰船的目的。同时, 在不考虑水面波动的情况下, 由于气泡的后向散射信号相对于静水中的接收信号变化幅度较大, 因此也可以从方差上来判别水中的气泡存在情况。
3 结语
舰船尾迹中不可避免地存在与周围海域不同的气泡分布, 这就使得通过激光探测气泡从而识别跟踪目标成为可能。实验表明, 在尾流中心区底部, 接收到的后向散射光最强, 在静水条件下, 不论在信号幅度还是在频率成分上, 都能较好地识别气泡而在水面有波浪的情况下, 从接收信号的频谱中判断气泡的存在性也是可行的。同时还可能从气泡后向散射信号的方差、似然比等方面来达到实现激光尾流自导的目的。
摘要：在Mie散射理论的基础上分析尾流气泡的光散射特性, 在实验基础上提出了一种利用尾流中气泡对激光的后向散射光特性探测舰船方法。一般情况下, 在不考虑水面波动的条件下能得到明显的气泡后向散射光信号;当波浪稍大时, 会影响后向散射光信号。对此本文的判别效果。
关键词：舰船尾流,气泡分布,Mie散射,后向光散射
参考文献
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[2]Zhang Xiao-dong, LewisM, JohnsonB.Influence of bub-bles on scatteringof light in the ocean[J].Applied Op-tics, 1998, 37 (27) :6525～6536.
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[4]杨力, 刘慧开, 等.舰船尾流气泡特征的运动规律研究[R].武汉:海军工程大学, 2005.
[5]张建生, 孙传东, 卢笛.水中气泡的特性研究[J].西安工业学院学报, 2000, 20 (1) :1～8.
[6]杨力, 刘慧开, 等.舰船尾流气泡特征的运动规律研究[R].武汉;海军工程大学, 2005.
[7]Mark.V.Trevorrow, S.Vagle, and D.M.Farmer.Acoustical measurement ofmicrobubbles within ship wakes[J].J.Acoust.Soc.Am., 1994, 95:922～1930.
超声空化气泡运动过程的数值分析 篇9
关键词：超声空化,空化气泡,数值分析
0 引言
随着科学技术的发展，超声已在众多领域得到了广泛的应用，在这些应用中，超声空化是引发各种物理、化学和生物效应的主要机理，这些效应与瞬态空化气泡崩溃时所产生的高温高压等现象有关。在研究单一空化气泡动力学过程的方法中，数值分析是除理论和实验方法之外的一种研究方法，至少有两方面原因表明它是必要的。首先，由于气泡运动过程中高度的非线性，使得从理论上建立能够精确描述空化过程的方程实际上是不可能的，其次，微米级大小的空化气泡半径和持续时间为微秒至纳秒级的气泡运动周期使得实验测量也难以进行。本文基于考虑了液体表面张力、液体粘滞性和辐射阻尼的气泡运动方程，采用数值分析中Runge-Kutta方法研究在不同声场频率和气泡初始半径条件下单一空化气泡的运动过程。
1 气泡动态的数值分析
考虑了液体表面张力、液体粘滞性和辐射阻尼的单一空化气泡运动方程：
方程（1）是二阶常微分方程，使用Runge-Kutta方法求解时应当用替换法化为形如y′=f(x,y）的一阶微分方程组，再加以使用。方程（1）可化为下列一阶方程组：
若设时间步长为h，则使用Runge-Kutta方法求每个离散时间点上对应气泡半径大小Rn的递推公式为：
设声场激励波形为PA=Pasin（ωat），若声压Pa<<P0，气泡振幅很小，可令R=R0+r,r<<R0，设气泡运动为绝热过程，则单一空化气泡共振频率为：
同时假设气泡运动过程为等温过程，即方程（1）中的泡内气体多方指数n=1。计算时与液体相关的各参数取值分别为：液体密度ρ=1000kg/m3，液体表面张力系数σ=0.076N/m，液体粘滞系数μ=0.001kg/（m·s），液体中声速c=1481m/s，液体中的静压P0=1.013×105Pa。
下面研究单频声场激励下，声场频率fa和气泡初始半径R0对气泡动态的影响。具体为计算fa和R0在不同的取值条件下，空化气泡半径随时间的变化曲线，即R(t）曲线。
1.1 声场频率对气泡动态的影响
给定气泡初始半径R0，通过改变声场频率fa的大小，讨论fa的变化对气泡动态的影响。设声场激励为PA=-Pasin(2πfat）,Pa=5.0×105Pa,R0=0.6μm，由公式（2）得到其自然共振频率fr=7.55MHz。若取fa=20MHz，则反映气泡动态的R(t）曲线为图1所示，气泡在多个声波周期内做复杂振荡。
若取fa=7MHz，则R(t）曲线为图2所示，气泡在一个声周期内即趋向崩溃。需要指出，这里所说的趋向崩溃是指气泡半径在增大到最大值后急剧向R=0趋近。
气泡在不同声场频率激励下其趋向崩溃的程度是不同的。图3显示了声场频率从4MHz变化到10MHz时，气泡在趋向崩溃时的半径与其初始半径之比R/R0的变化趋势。
通常认为:当超声波频率与气泡的自然共振频率相等时，超声波与气泡之间就达到了最有效的能量耦合，气泡将迅速崩溃。但数值计算的结果表明，当fa=fr时，气泡半径在通常所指的崩溃阶段趋向0，但不为0；当fa小于fr至一定限度时，气泡半径才在10-5数量级上趋向0，这时可以认为气泡彻底崩溃；当fa大于fr至一定限度时，气泡可在多个声波周期内稳定振荡，且振荡波形复杂无规律。
同时大量实验研究表明，随着频率升高，声空化过程变得难以发生。对这种现象的定性解释为：频率增高，声波膨胀相的时间相应变短（如f=20kHz，其膨胀时间为25μs；如f=20MHz，其膨胀时间为25ns），气泡核来不及增长到可产生效应的空化气泡，或者即便空化气泡可以形成，但由于压缩相时间也短，空化气泡可能来不及收缩至发生崩溃。为使在较高频率下产生空化，可以提高声强，即空化阈值将随频率升高而增大。此外，从声波的传播特性可知，频率升高，声波的传播衰减将增大，这也使得空化强度减弱以及可能发生空化的区域减小。
1.2 气泡初始半径对气泡动态的影响
给定声场频率fa，计算气泡取不同初始半径R0时的动态曲线R(t）。设Pa=P0=1.013×105Pa,fa=20KHz，这是超声工业清洗及声化学中较常使用的频率，按照公式（2）与其对应的共振气泡半径为Rr=150μm。图4为R0从60μm变化到160μm气泡趋向崩溃时R/R0的变化趋势。同样可以看出，当声场频率一定时，在该频率上自然共振的空化气泡并没有彻底崩溃，而是那些半径小于自然共振半径至一定限度的气泡才趋向彻底崩溃，半径大于该自然共振半径的气泡将持续振荡若干周期而不崩溃。
一般情况下，当时，计算得出下述结论：对初始半径大于共振半径的气泡，将发生复杂的持续振荡，一般不会崩溃；对初始半径小于共振半径的气泡，随着声压负压相的到来而不断增大，当声压正压相到来时，气泡先因惯性继续生长到最大半径，然后迅速收缩，直到崩溃。
2 结论
本文采用Runge-Kutta数值分析方法研究在不同声场频率和气泡初始半径条件下单一空化气泡的运动过程，数值分析结果表明，当给定气泡初始半径大小时，声场频率在小于气泡自然共振频率至一定限度时，气泡将迅速崩溃，而大于该共振频率时，气泡将持续振荡而不崩溃，即随着声场频率升高，声空化将难以发生；当给定声场频率时，只有其半径小于与该频率对应的气泡自然共振半径至一定限度的气泡才会彻底崩溃，半径大于该自然共振半径的气泡将做持续振荡。
参考文献
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[4]李太宝.计算声学——声场的方程和计算方法[M].北京:科学出版社,2005.
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