近日,我校物理与电子科学学院梁金福课题组在声学领域1区TOP期刊Ultrasonics Sonochemistry(IF=7.491)在线发表题为“Dynamics of Twin Bubbles formed by Ultrasonic Cavitation in a Liquid”的研究论文。该研究基于势流理论和摄动理论，建立了描述一对孪生气泡在超声场中的动力学方程组。该模型对分析双气泡在超声场中的复杂动力学行为具有一定的理论价值。

论文首页截图

超声波是一种机械波。超声波通过液体时，液体内部的压力会发生涨落变化，出现低于静态压力的负压区域。当超声波强度大于一定阈值时，负压区域的液体会出现结构断裂，形成缺陷。液体中的微小气泡在缺陷处会成长为肉眼可见的、微米量级的气泡，这种现象称为声空化（Acoustic cavitation）。形成的气泡叫做空化泡。空化泡在声场的持续作用下，其径向运动表现出先缓慢膨胀，然后急剧塌缩的周期性特征。空化泡在脉动的过程中，其最大与最小半径的比值可以达到10²（数量），则体积压缩比会达到10⁶（数量），因此，空化泡具有异常高的聚能能力。空化泡塌缩至最小半径前后，其内部会产生极端的高温高压，导致光辐射，即声致发光（Sonoluminescence）。空化泡的高温高压在超声清洗、纳米材料制备和催化化学反应等领域已经得到广泛应用。

空化泡动力学是研究声空化、声致发光及其应用的基础。但目前多空化泡动力学研究比较缺乏。多空化泡系统既是一个非线性问题又是一个多体问题；并且由于声场的复杂性，空化泡在空间上的分布非常复杂，气泡的大小和寿命各不相同；空化泡在运动过程中，其内外还存在物质交换等等，所以研究多空化泡系统是一个复杂、困难的问题。双空化泡系统是多空化泡系统中的二体结构单元。这种结构既含有多空化泡之间的相互作用信息，又简化了多空化泡系统的复杂性。因此，研究双空化泡系统对探究多空化泡系统具有重要的意义。

两个空化泡轮廓的演化图

梁金福课题组基于势流理论和微扰理论，对超声场中双空化泡的脉动、平移和形变进行耦合，选择恰当的边界约束条件，运用球谐函数的性质，导出了描述一对孪生气泡在超声场中的动力学方程组。该模型可以分析超声场中双气泡系统的脉动、平移、形变、非球形振动及其稳定性等复杂动力学行为，对研究多空化泡系统的动力学及其声空化的应用具有一定的理论指导意义。

该研究获得了国家自然科学基金（11864007，11564006）的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2021.105837