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超声介导微泡对细胞的声致成孔作用中次bjerknes力的影响

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生物医学工程学杂志 2018年第6期35卷 864-869页

作者：徐良林钟石沈圆圆余皓深圳市药品检验研究院广东深圳518056 深圳大学医学部生物医学工程学院广东深圳518060 深圳职业技术学院医疗电子工程专业广东深圳518055

声致成孔通过超声介导微泡的空化作用使得细胞膜产生暂态孔隙,可以提高药物和基因的过膜转运效率。目前常见声致成孔中单个微泡在超声场中的动力学和单个微泡对细胞作用力学的研究,但是未见存在两个微泡相邻时对细胞产生声孔的可能性的... 详细信息

声致成孔通过超声介导微泡的空化作用使得细胞膜产生暂态孔隙,可以提高药物和基因的过膜转运效率。目前常见声致成孔中单个微泡在超声场中的动力学和单个微泡对细胞作用力学的研究,但是未见存在两个微泡相邻时对细胞产生声孔的可能性的研究分析。本文分析超声场中两个微泡相邻情况下的一种声致成孔的情况,即建立微泡受到邻近另一微泡的次bjerknes力作用时的动力学模型,及其对细胞的力学作用。本文根据实际可能的参数设置,通过数值模拟研究了:(1)超声和微泡等参数对次bjerknes力值的影响;(2)在相邻稳态振动微泡给予的次bjerknes力作用下,微泡对细胞膜的作用力;(3)当微泡给予细胞作用力超过细胞膜耐受剪切力阈值时产生声致成孔的可能性。通过模拟分析,本文给出了两个相邻微泡稳态振动时,可能产生声孔的超声照射和微泡参数,并首次发现相对于超声照射参数来说,微泡参数对次bjerknes力的影响较大。

关键词：超声介导微泡细胞次bjerknes力声致成孔

声场中气泡间次bjerknes力和气泡群聚现象

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陕西师范大学学报（自然科学版） 2018年第2期46卷 40-44,56页

作者：马艳林书玉徐洁陕西师范大学陕西省超声学重点实验室陕西西安710119 宁夏师范学院物理与电子信息工程学院纳米结构及功能材料工程技术研究中心宁夏固原756000

基于双气泡耦合振动方程,研究了强声场中初始半径为10μm以上的两个球形气泡之间的次bjerknes力,并探讨了驱动声压振幅、驱动频率、气泡间距和双泡的初始半径对次bjerknes力的影响。结果表明:强声场中气泡运动的非线性效应,使泡间的次Bj... 详细信息

基于双气泡耦合振动方程,研究了强声场中初始半径为10μm以上的两个球形气泡之间的次bjerknes力,并探讨了驱动声压振幅、驱动频率、气泡间距和双泡的初始半径对次bjerknes力的影响。结果表明:强声场中气泡运动的非线性效应,使泡间的次bjerknes力增加,进而导致气泡大量聚集,互相牵制,形成稳定的气泡结构,即气泡群聚现象。

关键词：次bjerknes力气泡非线性气泡群聚

声场作用下两气泡间次bjerknes力的研究

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声场作用下两气泡间次Bjerknes力的研究

作者：郑霞陕西师范大学

学位级别：硕士

超声波作为一种能量的载体,它在液体中传播能量的过程中会引起超声空化效应。超声空化是指液体中微小泡核在超声波的作用下被激活,主要表现为泡核的振荡、膨胀、收缩以及崩溃等一系列动力学过程。由于该过程是一个较为复杂的过程,常伴... 详细信息

超声波作为一种能量的载体,它在液体中传播能量的过程中会引起超声空化效应。超声空化是指液体中微小泡核在超声波的作用下被激活,主要表现为泡核的振荡、膨胀、收缩以及崩溃等一系列动力学过程。由于该过程是一个较为复杂的过程,常伴随有高温、高压、发光等现象,所以在物理、化学、生物等学科的基础研究和现代应用技术的开发及利用中展现出了十分广阔的前景。一般而言,在声波作用下的液体中都会存在大量随机分布的气泡,而气泡和气泡之间会相互作用产生次bjerknes力,使气泡间相互吸引或排斥。气泡间的这种次bjerknes力,不仅对气泡的分布状态和声场的局域分布有重要的调控作用,而且对弄清气泡群的振动及内部的变化机理、气泡或者微粒的聚集和分离也有积极的意义。最重要的是,通过气泡间的这种作用机理还可以明确超声空化的形成过程和声致发光现象的原理。因此,对超声波作用下,气泡间次bjerknes力的研究就显得具有相当重要的理论和实际意义。本文首先使用流体中单个气泡的数学模型并结合气泡的平移运动,利用拉格朗日函数推导了气泡作径向振动和平移运动的耦合方程。然后,采用数值计算的方法,分析了气泡大小、气泡间距、声压幅值、传热模式以及声波频率对气泡间次bjerknes力的影响。结果表明：1.通过气泡大小对气泡间次bjerknes力影响的研究发现,气泡大小对气泡间次bjerknes力有很大的影响。对于半径相同的气泡,气泡间次bjerknes力总是表现为引力,并且随着气泡半径的增大引力会增大,最后使两气泡发生碰撞或融合现象。而对于半径不同的气泡,随着时间的变化总是引力和斥力交替出现,但是其时间平均作用力总是会有所倾向。当两气泡的半径均大于或小于共振半径时,气泡间次bjerknes力表现为引力,并且气泡的半径越大引力越大。当气泡半径一个大于共振半径而另一个小于共振半径时,气泡间次bjerknes力表现为斥力。当其中一个气泡的半径等于共振半径时,气泡间次bjerknes力表现为引力,并且在引力的作用下,两气泡先不断地彼此吸引,然后达到动态平衡后以恒定的气泡间距一起随流体作平移运动。2.通过气泡间距对气泡间次bjerknes力影响的研究发现,随着气泡间距的增大,两气泡间次bjerknes力会减小,当间距增大到一定值时,两气泡间的作用力会趋于零,气泡的运动特性类似于单气泡的;随着气泡间距的不断减小,作用力会不断增强,而且当其中一个气泡的半径接近共振半径时,力的方向会发生变化。3.通过声压幅值对气泡间次bjerknes力影响的研究发现,随声压幅值的增大两气泡间次bjerknes力会不断的增大,而且力的方向也会因气泡对的不同而发生一定的变化。另外,由于声压的不同,气泡的平移状态还会受到不同程度的影响。4.通过传热模式对气泡间次bjerknes力影响的研究发现,传热模式的改变并不会对气泡间次bjerknes力产生大的影响。5.通过声波频率对气泡间次bjerknes力影响的研究发现,对于半径相同的气泡,无论驱动频率取多大值,气泡间次bjerknes力都表现为引力,并且在低于共振频率的区域会出现力的副极大,等于共振频率时会出现力的主极大,超过共振频率以后力会随频率的不断增大而逐渐减小。对于半径不同的气泡对,在驱动频率介于两气泡的共振频率之间的区域,气泡间次bjerknes力表现为斥力,并且力的变化不与频率的变化成线性关系;而在驱动频率大于和小于共振频率的区域,气泡间次bjerknes力表现为引力,但是在小于共振频率的区域,作用力有逐渐增大的趋势,在大于共振频率的区域,作用力有逐渐减小的趋势。另外,对于液体中的微小气泡而言,在低频声波作用下易产生瞬态声空化效应,高频声波作用下易产生稳态声空化效应。

关键词：空化次bjerknes力径向振动平移运动数值计算

次bjerknes力作用下气泡的体积振动和散射声场

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物理学报 2016年第1期65卷 204-212页

作者：马艳林书玉鲜晓军陕西师范大学陕西省超声学重点实验室西安710062 宁夏师范学院物理与信息技术学院固原756000

利用Lagrange方程得到了次bjerknes力作用下气泡的体积振动方程,并探讨了次bjerknes力作用下不同参数对气泡体积振动振幅和振动初相位的影响,研究了振动初相位差为π和0的气泡对在液体中形成的散射声场特征.结果表明：次bjerknes作用力... 详细信息

利用Lagrange方程得到了次bjerknes力作用下气泡的体积振动方程,并探讨了次bjerknes力作用下不同参数对气泡体积振动振幅和振动初相位的影响,研究了振动初相位差为π和0的气泡对在液体中形成的散射声场特征.结果表明：次bjerknes作用力下,相邻气泡半径、气泡间距、多方指数均能影响气泡的体积振动振幅,气泡对的均衡半径、气泡间距和驱动频率则对气泡振动初相位产生明显影响;相距很近、相位相差为π的两个气泡的散射声压与气泡体积振动振幅、气泡间距、驱动频率和振动初相位有关,随声场距离成反比减小,与声场位置有关,其平均散射声功率是单个孤立气泡的1/6（kd_（12））~2半径相同、相距很近、相位相同的两个6气泡的散射声压与气泡振动初相位、体积振动振幅、气泡间距、驱动频率有关,随声场距离成反比减小,其平均散射声功率是单个孤立气泡的4倍.

关键词：次bjerknes力体积振动振幅振动初相位散射

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液体薄层中环链状空化泡云结构稳定性分析

物理学报 2022年第8期71卷 176-183页

作者：李凡张先梅田华胡静陈时王成会郭建中莫润阳陕西师范大学陕西省超声学重点实验室西安710062

为分析超声空化的薄层液体中稳定的环状气泡链结构,本文考虑气泡间次级声辐射影响,得到了表征气泡间相互作用的气泡基本动力学方程以及次bjerknes力的表达式,数值分析了气泡平衡半径、声波频率和声压对纯液体区可能出现的单气泡所受的次... 详细信息

为分析超声空化的薄层液体中稳定的环状气泡链结构,本文考虑气泡间次级声辐射影响,得到了表征气泡间相互作用的气泡基本动力学方程以及次bjerknes力的表达式,数值分析了气泡平衡半径、声波频率和声压对纯液体区可能出现的单气泡所受的次bjerknes力,发现环形泡链能够吸引液体区内的新生的半径小于2μm的气泡,这可能是一定条件下环形气泡链能够稳定存在的原因.随着驱动声波压力增加,气泡数密度增加,气泡间的耦合作用增强,液体区内的环形泡链结构可能被液体区内出现的大气泡或者气泡团破坏,进而导致环形结构演变成柱状、雾状乃至整个液体区均充满空化泡的情况发生.通过高速摄影机观察了强声场作用下换能器辐射面外侧液体薄层内空化初生至形成空化云团簇的整个过程,在空化云团簇中发现了局部同步崩溃并形成类纯液体薄层的现象,该液体薄层边界随时间振荡持续约4个声周期后被空化云团簇吞没,局部类纯液体区出现的位置具有随机性.实验观察结果和理论预测具有很好的一致性.

关键词：超声空化结构气泡群次bjerknes力稳定性

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具有传质传热及扩散效应的双气泡的相互作用

物理学报 2023年第19期72卷 154-161页

作者：乌日乐格那仁满都拉内蒙古民族大学数理学院通辽028043

利用修正的Keller-Miksis方程与Noble-Abel-Stiffend-Gas状态方程相结合的模型,研究了超声作用下具有传质传热及扩散效应的双气泡间的相互作用,并与Mettin等[Mettin R,Akhatov I,Parlitz U,Ohl C D,Lauterborn W 1997 ***.E 562924]给出的没有传质传热及扩散效应的双气泡间的相互作用进行了比较.结果表明,具有传质传热及扩散效应的双气泡间的次bjerknes力和气泡归一化最大半径都大于没有传质传热及扩散效应的双气泡的相应量.随着其中一个气泡的初始半径的增大和驱动声压的增大,两种情况给出的次bjerknes力的差别逐渐增大,而随着驱动频率的增大,两种情况给出的次bjerknes力的差别逐渐减小.由此可见,传质传热和扩散效应对空化气泡间相互作用的次bjerknes力具有重要影响.

关键词：空化双泡次bjerknes力传质传热效应扩散效应

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空化多泡中大气泡对小气泡空化效应的影响

物理学报 2019年第23期68卷 161-169页

作者：清河美那仁满都拉内蒙古民族大学物理与电子信息学院

依据超声场下形成的空化多泡的形状结构,建立了两种简化的多泡模型,即三泡模型和五泡模型,并利用考虑气泡之间相互作用和液体可压缩性的非线性Keller-Miksis方程,数值研究了三泡和五泡模型中周围大气泡对中间小气泡空化效应的影响.结果... 详细信息

依据超声场下形成的空化多泡的形状结构,建立了两种简化的多泡模型,即三泡模型和五泡模型,并利用考虑气泡之间相互作用和液体可压缩性的非线性Keller-Miksis方程,数值研究了三泡和五泡模型中周围大气泡对中间小气泡空化效应的影响.结果表明,在适当条件下随着周围大气泡半径的逐渐增大,中间小气泡会被完全抑制或会发生延迟膨胀现象.延迟膨胀的小气泡崩溃时的泡内温度,当周围大气泡数适当多时,可以高于相同初始半径的单泡泡内温度.大小气泡之间的次bjerknes力在小气泡延迟膨胀时表现为先排斥后吸引,而正常膨胀大小气泡之间的次bjerknes力两次都是吸引力.

关键词：多泡模型延迟膨胀泡内温度次bjerknes力

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耦合双泡声空化特性的理论研究

物理学报 2018年第3期67卷 201-208页

作者：王德鑫那仁满都拉内蒙古民族大学物理与电子信息学院通辽028043

当双泡中心间距足够小时,由于气泡间辐射压力波的存在,作用在气泡上的压力不等于外部驱动压力.通过考虑双泡之间的辐射压力波,利用改进的Keller-Miksis方程,分别计算了不同大小、不同间距、含不同惰性气体的双泡在声空化过程中半径的变... 详细信息

当双泡中心间距足够小时,由于气泡间辐射压力波的存在,作用在气泡上的压力不等于外部驱动压力.通过考虑双泡之间的辐射压力波,利用改进的Keller-Miksis方程,分别计算了不同大小、不同间距、含不同惰性气体的双泡在声空化过程中半径的变化、次bjerknes力的变化和双泡内温度的变化.计算结果表明,当双泡大小不同时,小气泡受到的抑制作用较强,温度变化也比较大.随着双泡间距离从100μm增大到1 cm时,气泡间的次bjerknes力的数量级从10^(-4)N减小到10^(-8)N.含不同惰性气体的耦合双泡在回弹阶段表现出明显不同的振荡规律.

关键词：次bjerknes力惰性气体温度

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基于气泡统一方程的声场双气泡耦合作用研究

哈尔滨工程大学学报 2024年第2期45卷 213-222页

作者：谈乃正詹立蕾李世民李帅张阿漫哈尔滨工程大学三亚南海创新发展基地海南三亚572024 哈尔滨工程大学船舶工程学院黑龙江哈尔滨150001

针对声致空化现象中双气泡相互作用力展开了研究。本文基于气泡动力学的基本理论,将气泡统一方程应用到声场中双气泡的耦合作用研究中,建立了可用于计算声场中多气泡耦合的理论模型,并以此研究了不同类型的声场中双气泡次bjerknes力的... 详细信息

针对声致空化现象中双气泡相互作用力展开了研究。本文基于气泡动力学的基本理论,将气泡统一方程应用到声场中双气泡的耦合作用研究中,建立了可用于计算声场中多气泡耦合的理论模型,并以此研究了不同类型的声场中双气泡次bjerknes力的变化趋势。研究结果表明:在声压幅值较小的行进波声场中,对于非线性脉动的双气泡,其相互作用现象不仅与声场参数相关,还会受到双气泡初始体积比的影响。若固定其中一个气泡的初始体积,同时改变另一个气泡的初始体积,则双气泡间第1周期内的次bjerknes力会在初始体积相等时达到第1个极值,随后呈现周期性的起伏,并在总体上呈增大趋势;而双气泡相互作用在声压幅值较大的行进波声场中会随初始半径比的增大持续增强,且周期性的起伏现象并不明显。在驻波声场中靠近波节的位置也能观测到这一现象。此外,本文还探究了非线性振动的双气泡在具有相同频率、不同声压幅值的组合波声场中的耦合效应。本文的研究可为声场中双气泡相互耦合作用以及气泡群动力学相关应用提供理论基础。

关键词：声致空化双气泡耦合气泡统一方程次bjerknes力气泡初始体积比行进波驻波声场反射波耗散