基于声学黑洞的高效聚焦与空化超声杯式辐射器的系统研究

《Ultrasonics Sonochemistry》：Systematic investigation of the ultrasonic cup-type radiator based on acoustic black hole for efficient focalization and cavitation

　　

在声化学处理、超声辅助高级氧化和精准医学等许多技术中，如何优化传统超声辐射器以实现高效能量聚焦和精确空化增强已成为核心技术瓶颈。因此，本文提出了一种新型杯式超声辐射器设计，该设计协同集成双声学黑洞（ABH）轮廓与模式转换振动架构，以实现增强的能量聚焦和空化。研究人员为ABH杯式辐射器（ABHCR）建立了机电等效电路模型，并利用有限元法（FEM）和实验系统研究了其振动性能和声场特性。结果表明，双ABH轮廓盘与金属管之间的协同作用在辐射器内部形成了高强度叠加声场。与传统杯式辐射器（CCR）相比，双ABH设计显著提高了空气和水中的轴上声压。此外，研究人员还开展了超声乳化实验并结合电导率测量，以验证和量化声化学性能的增强，确认了升级模型的有效性。通过实现高效、空间局部的聚焦和空化，ABHCR为空气耦合超声应用、超声辅助纳米材料合成、高级氧化过程以及可扩展的空化辅助反应器工程提供了一个有前景的平台。

超声辐射器在声化学处理、超声辅助高级氧化、精准医学、超声清洗、结构健康监测和工业加工等领域至关重要。其中，空化驱动技术尤其受到关注，因为声空化产生极端局部条件，可实现可控纳米结构制备、高效自由基生成以促进氧化过程，以及靶向治疗效应。然而，传统超声辐射器存在固有局限：能量聚焦区域有限（例如在浸没式反应器中，高能空化仅发生在探头尖端），且能量转换效率低，导致实际处理效果不理想。为此，发展能将声能集中到明确聚焦区域并增强空化活性的创新设计，兼具科学重要性与实践紧迫性。

为克服传统辐射器的不足，已有多种策略被探索，如振动模式转换。但现有基于声学黑洞（ABH）的超声辐射器研究大多局限于单一ABH结构或单一介质，尚未有研究将双ABH轮廓与杯式管状辐射结构结合，系统研究从弯曲振动能量局域化到管内轴向多介质声场增强的完整模式转换机制。基于此，研究人员提出了一种声学黑洞杯式超声辐射器（ABHCR），将双ABH轮廓盘、金属管和超声换能器集成，利用双ABH与模式转换的协同作用实现高效能量局域化和空化增强。该研究发表于《Ultrasonics Sonochemistry》。

主要技术方法包括：研究人员首先为双ABH轮廓盘、金属管和超声换能器分别建立了机电等效电路模型（EECM），用于计算共振频率和振动特性；采用有限元法（FEM）对装配后的ABHCR进行振动模态和声场仿真，并与传统杯式辐射器（CCR）对比；制作了符合设计尺寸的ABHCR和CCR样机，使用精密阻抗分析仪（WK6500B）测量电阻抗和相位，采用全场激光扫描测振系统（Polytec PSV-400）测量盘的弯曲振动位移和管的径向振动位移；在空气和水中分别使用传声器和水听器沿轴向测量声压分布；最后开展超声乳化实验，使用