声波干涉仪连续与脉冲模式下超声衰减测量的特性分析及其在液体纵向粘度研究中的应用

本研究针对液体中声波衰减测量存在的"虚假衰减"问题（如衍射效应、换能器非平行性等），开发了基于声波干涉仪的连续和脉冲双模式测量方法。通过甘油及甘油-水混合物的实验验证，研究人员建立了真实衰减的分离模型，解决了纵向声波衰减与纵向粘度（longitudinal viscosity）的关联难题，为牛顿流体力学参数测量提供了新方案。

　　

声学诊断技术作为研究液体力学特性的重要手段，其核心参数——声波速度和衰减的精确测量始终面临挑战。尽管相关研究已有70余年历史，但如何消除"虚假衰减"（false attenuation）对测量结果的干扰仍是未解难题。这种干扰主要源于声波衍射、换能器能量损耗以及器件非平行性等因素，导致传统方法难以准确获取液体中真实的声波衰减数据。而这一参数恰恰与液体的纵向粘度（longitudinal viscosity）存在直接关联——不同于常规粘度计可测的剪切粘度（shear viscosity），纵向粘度作为四阶张量的独立分量，在压电器件设计、生物流体分析等领域具有特殊价值，却因测量技术限制长期缺乏有效数据。

俄罗斯科学基金会支持的研究团队在《Ultrasonics》发表的工作中，构建了2.5/5/10 MHz三频段声波干涉仪系统，通过连续和脉冲双模式测量，建立了包含衍射修正、能量损耗补偿的完整衰减分离模型。关键技术包括：1）可调间距的压电换能器对（PZT）干涉仪设计；2）R&S SMB 100A信号发生器与Agilent DSO3062A示波器组成的脉冲测量系统；3）基于甘油及90%甘油-10%水混合物的验证体系；4）时域/频域信号联合分析方法。

【The determination of the attenuation of acoustic wave in liquids in continuous mode】
研究团队设计圆柱形压电换能器对，通过精密微米级位移控制（分辨率10 μm），记录不同间距下的信号衰减曲线。实验发现传输系数随间距呈准周期变化（周期为半波长），通过分离衍射效应（diffraction effects）和能量透射损耗，首次建立了连续模式下真实衰减的定量计算模型。

【The determination of the attenuation of acoustic wave in liquids in pulse mode】
采用2-2.5 μs短脉冲（含6个以上RF周期）与1 kHz重复频率，在时域直接测量波包衰减。对比水、甘油及其混合物的数据表明，脉冲与连续模式的衰减系数测量误差小于3%，验证了方法的普适性。

【Discussion】
频率扫描显示声波衰减与频率平方呈正比（α∝f²
），符合经典粘滞理论。特别值得注意的是，90%甘油-10%水混合物的衰减突变现象揭示了微量水分对液体压缩粘度的显著影响，这为复杂流体体系研究提供了新视角。

【Conclusion】
该研究实现了三大突破：1）建立包含衍射修正、能量损耗补偿的完整衰减模型；2）验证连续/脉冲双模式数据一致性；3）首次获得甘油体系的精确纵向粘度数据。这些成果不仅为声学测量提供了标准化方案，更填补了流体力学参数数据库的关键空白，对生物医学检测、微流控器件设计等领域具有重要应用价值。研究强调，未来需进一步优化换能器匹配层设计以降低界面损耗，并将该方法拓展至非牛顿流体体系。