| （1）超声波对未脱气蔗糖稀溶液中的树枝状冰晶的影响；（2）超声波对脱气蔗糖稀溶液中的树枝状冰晶的影响。在上述两种条件下,每次实验中首先将密封有蔗糖溶液的双层载玻片浸入到冰箱中温度为-20℃的冷冻液中冻结7小时,稀蔗糖溶液便完全冻结成冰晶体。然后将双层载玻片从冰箱中移到超声容器里（超声容器内有适量温度为-1.5℃的冷冻液），并使双层载玻片的下表面高出冷冻液面2mm，待双层载玻片中大多数冰晶体已经熔化为液体，只剩下几个圆形小冰晶核分散在连续的液相中时，迅速向超声容器内加少量温度为-1.5℃的冷冻液（使超声容器内冷冻液面上升2mm，此时超声容器内冷冻液深度为58mm），确保载玻片下表面与冷冻液面接触。这会导致双层载玻片中稀蔗糖溶液的温度突然降低，从而引起连续液相中的圆形小冰晶核生长为树枝状冰晶体，随后立即启动超声波,并且通过显微视频成像系统拍摄冰晶的整个分裂过程。整个实验过程中，通过设定冷却系统的制冷功率使得超声容器内冷冻液的温度维持在-1.5℃，超声波功率为120W。考虑到超声容器内的超声强度是不均匀的，每次实验时确保双层载玻片被放置于超声容器内同一位置。
为了进一步定量分析冰晶抗压强度与超声波声压间的关系，上述实验完成后，保持超声波发生器的输出电功率及超声容器内乙醇水溶液深度等实验条件不变，将一块载玻片水平悬浮在超声容器内的液面上（载玻片位置与前实验相同），然后参考王秋萍测量超声清洗槽内声场的方法，用水听器对超声容器内的声压分布情况进行测量，水听器的输出信号经由MSO7104B型示波器采集。实验中载玻片下表面（即液面）距超声容器底部仍为58mm,10%乙醇水溶液中的声速约为1450m/s，则超声频率为25KHz时的波长为58mm，水溶液深为一倍的波长。在垂直方向上沿载玻片的中心轴线方向从超声容器底面向上测量，测点间距为4mm。每一测点均测5次取平均值。
3结果与讨论
3.1超声波对脱气溶液二次成核的影响
图2是脱气蔗糖稀溶液中树枝状冰晶体在超声场中的一系列图像。图2a是应用超声波前的树枝状冰晶结构。图2b、图2c及图2d分别是经超声波辐射2秒、4秒及6秒之后的冰晶图像。经过脱气的蔗糖稀溶液在超声场中虽然不会产生空化效应，但超声波仍然能在脱气溶液中引起交变声压。ShinfukuNOMURA等人利用水听器分别测量了电功率为60W的超声波在脱气水与未脱气水中的声压分布，研究结果表明，由于超声波在未脱气水中引起空化需要消耗能量，从而导致脱气水中沿超声波传播方向上声压衰减要稍慢于未脱气水中的声压衰减，即功率相同的超声波在脱气液相中传播时引起的声压幅值比在未脱气液相中引起的声压幅值要稍微大些。由图2可以看出，经超声波辐射6秒后，脱气蔗糖稀溶液中的树枝状冰晶体并没有发生分裂而是缓慢地生长（低过冷度下的冰晶缓慢生长有利于对实验操作的控制）。据此推断在没有空化效应作用时，超声波作用在树枝状冰晶上的声压并不能够将冰晶压碎，即超声波声压不是强化冰晶二次成核的直接原因。
a b
c d
图2超声波对脱气蔗糖稀溶液中树枝冰晶的影响（相邻图片时间间隔为2s）
超声波是一维纵向波，超声容器内悬浮在冷冻液面的载玻片下方的声压是由振动板的辐射波与刚性载玻片的反射波组成，在液相中形成余弦驻波，载玻片与液面的交界处形成波峰（即声压振幅极大处）。王秋萍的研究结果表明，超声波在未脱气水中形成驻波后，波峰附近区域的空化最强烈。图3是超声容器内载玻片至容器底部之间垂直方向的声压分布，由图3可知超声波在传播过程中有一定的衰减，本文置于超声容器内冷冻液面的树枝状冰晶所受的声压为0.332MPa左右。我国的设计规范中，对冰温为0℃时的冰抗压强度取值为0.75MPa。于天来在实验室中对尺寸为70mm×70mm×175mm的冰块进行实验，获得0℃时的冰抗压强度为1.5MPa左右,且冰的强度随温度下降而上升。林树枝研究表明，由于冰内具有各式各样的缺陷,冰块越大,有利于激发冰块破裂的缺陷越多,因此冰强度随冰尺寸减小而增大。通过以上分析可知，超声容器中的声压小于树枝冰晶的抗压强度。
图3超声容器内垂直方向上的声压分布
3.2超声波对未脱气溶液二次成核的影响
图4显示了超声波对未脱气稀蔗糖溶液中树枝状冰晶体的影响，相邻图片间的时间间隔是1s。图4a是应用超声波前的树枝状冰晶结构。在显微镜下可以看到，超声波引发的空化气泡最先出现在树枝状冰晶与溶液的交界面处（图4b），而不是最先出现在远离冰晶的液相中。这是由于原先溶于液相中的空气会因冻结而从冰晶中排出，因结晶被赶出的空气会在冰晶表面与水的交界面处积聚，从而导致冰水界面处空气含量大大高于溶液中其他地方的空气含量，所以冰水界面处的超声空化强度也就最强烈。单个空化气泡从形成至破灭经历的时间通常是几秒，空化气泡总是不停地移动着，而且其运动方向总是在随机的变化。 2/3 首页 上一页 1 2 3 下一页 尾页 |
