2.2實驗用液體

由於本文研究液體張力變化對固壁麵近旁空泡生長和潰滅過程的影響，因此所用液體的粘滯係數μ及密度ρ應大體相近，在空氣中的表麵張力應有較大差異。實驗采用5種液體，其表麵張力如表1所示。

表1實驗液體的表麵張力

3實驗結果與討論

3.1空泡的脈動過程

圖3給出了探測光經過脈動空泡的示意圖，圖中空泡脈動特性曲線是基於空泡半徑隨時間變化的數值模擬得到的。圖4即為由探測裝置圖2（a）獲得的對應的典型光偏轉信號波形圖，它包含了激光作用於水中靶材時的三種物理現象和過程，即激光等離子體衝擊波、等離子體空泡及其反彈現象、空泡潰滅衝擊波。圖中峰a為激光等離子體衝擊波；c為等離子體空泡信號；e為空泡反彈信號；f為空泡收縮到最小泡體積時輻射的衝擊波信號；b為空泡膨脹壁；d為空泡收縮壁。

圖3探測光經過脈動空泡的示意圖

實驗中激光單脈衝能量為32.6mJ,探測距離從0mm變化到3.56mm.通過跟蹤不同探測距離對應的空泡壁（膨脹壁和收縮壁）到達的時間，可以得到泡壁的運動規律，即R＝R（t），如圖5所示。

從圖5可以看出，表麵張力減緩了空泡的膨脹過程。在初期，空泡膨脹變緩的現象不甚明顯，愈到後期越明顯。液體張力越大，空泡對應的最大泡半徑越小；表麵張力加速了空泡的收縮。表麵張力越大，空泡收縮所能達到的最小泡半徑越小，且表麵張力縮短了空泡脈動周期。從圖5還可以看出表麵張力對空泡潰滅的影響要強於對膨脹的影響。此外，激光泡半徑隨表麵張力變化與液體的表麵張力數值並不為線性關係，其關係有待研究。

圖4實驗獲得的典型的光偏轉波形

圖5激光泡半徑隨時間的變化關係

由於表麵張力總是起減小空泡體積的作用，因此對於一個凸形空泡來說，表麵張力對空泡壁各處施加一個向內的壓力，其作用與壓差ΔP（ΔP=2σ/R）的作用相類似。空泡半徑一定時，表麵張力σ越大，附加壓強ΔP越大，對空泡的緊縮作用越明顯，從而對空泡的運動影響越大。對於初始是球形的固壁近旁的空泡，在生長的時候，表麵張力能使空泡的生長變成一個穩定的過程，並盡量保持空泡的球形。在潰滅的時候，表麵張力會加速空泡的潰滅，使空泡的潰滅過程不穩定，使其產生較大的瞬時衝擊力。

3.2空泡的潰滅過程

若空泡在固壁麵附近潰滅，泡表麵的壓力梯度會形成指向靶材的高速液體射流。圖6為由探測裝置圖2（b）獲得的對應單脈衝能量為34mJ時，銅片在激光作用全過程中所受的典型力學信號。圖中可以明顯看到兩個峰的存在，峰a為激光等離子體產生的燒蝕壓力脈衝信號，峰b為射流衝擊力信號。從圖6可以看出，該激光能量作用下，射流衝擊力的強度遠大於等離子體燒蝕力。

圖6靶材在水中所受的典型力學信號

圖7力學信號與入射激光能量的關係

圖7給出了水中力學信號隨入射激光能量變化的關係，其中等離子體燒蝕力和射流衝擊力分別為a和b.由圖可見，隨著激光作用能量的增加，等離子體燒蝕力及射流衝擊力的幅值均呈單調上升趨勢。這是因為入射激光能量越大，激光泡所含能量相應變大，空泡潰滅時所產生的射流速度和射流衝擊力也相應變大。但射流衝擊力b強於等離子體燒蝕力a的關係沒有改變，這說明射流衝擊力是造成靶材被破壞的主要原因。

圖8為射流衝擊力隨液體表麵張力的變化關係，從圖可以看出，隨著液體表麵張力的增大射流衝擊力也增大；且液體張力越大，靶材受到的射流衝擊強度越大，這是因為液體表麵張力加速了空泡的收縮，縮短了空泡潰滅曆時，增加了空泡潰滅速度，所以空泡潰滅時表麵張力所起的加速作用也愈大，其所產生的瞬時衝擊力也愈大。因射流衝擊力是造成靶材破壞的主要原因，所以張力較大的液體中空泡能產生較大的空蝕效應。

圖8射流衝擊力與表麵張力的關係

4結論

實驗研究了液體表麵張力對固壁近旁空泡生長和潰滅過程的影響。通過研究液體表麵張力對空泡最大和最小泡半徑的影響，得出表麵張力減緩空泡膨脹過程的結論；此外，通過分析不同張力液體中靶材所受射流衝擊力的大小，得出表麵張力增加射流衝擊強度，產生較大的空蝕效應的結論。該研究成果不僅可以促進空化研究的深入，從而避免空泡可能帶來的危害，同時也為合理利用空化現象提供參考。