What it takes to break a liquid: analysis of the cavitation threshold in various media
针对空化阈值实验与理论差异大的问题，本研究通过24kHz超声波、高速成像（200,000fps）和水听器技术分析五种物质的成核阈值，发现蒸气压非有效指标且不同物质行为相似，揭示了空化成核机制。
2025-04-15 physics.flu-dyn
Modeling time-delayed acoustic interactions of cavitation bubbles and bubble clusters
本文基于准声学假设建立低维模型，描述空化气泡径向动力学、声发射及延迟气泡间相互作用，并通过多气泡共振和稠密气泡簇压力响应验证其与文献结果高度一致。
2024-11-13 physics.flu-dyn
100-Billion-Atom Molecular Dynamics Simulation of Acoustic Cavitation in a Simple Liquid
Faculty of Global Nursing, Iryo-Sosei University（医疗共生大学全球护理学部）；Institute for Solid State Physics, The University of Tokyo（东京大学固体物理研究所）
本研究通过超算Fugaku对简单液体中的声空化进行大规模分子动力学模拟，揭示了多气泡动态形成机制及亚谐波行为，为优化超声系统提供新见解。
2026-04-08 physics.flu-dyn
Classifying acoustic cavitation with machine learning trained on multiple physical models
本文提出一种集成Rayleigh-Plesset、Keller-Miksis和Gilmore三种物理模型及多种空化分类技术的物理信息机器学习方法，通过求解气泡动力学方程并交叉验证，实现了对瞬态和稳态声学空化状态的高准确度概率预测。
2025-03-05 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Photo and acoustic emissions from the non-equilibrium phase transition at the interface during cavitation
本研究探讨了水中强压力脉冲所引起的空化所产生的光和声辐射。基于时间分辨的测量（a）压力波形的焦点，（b）光散射的空化，（c）声发射，和（d）光发射（声致发光），它表明，发射发生在创建或膨胀，以及崩溃的空腔。这些结果表明，热力学不可逆性，造成非平衡相变和表面熵的变化，是光和声发射在空化过程中的基础。
2019-11-21 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.flu-dyn
On acoustic cavitation of slightly subcritical bubbles
经典的Blake阈值表明液体中气泡的准静态演化开始导致空化。当液体中的平均压力降低到低于蒸汽压的值时，Blake分析确定了将准静态稳定气泡与将空化的气泡分离的临界半径。在这项工作中，我们分析了空化阈值的径向对称气泡的半径略小于布莱克临界半径，在存在时间周期性的声压场。一个杰出的极限方程，推导出预测的阈值为很宽的液体粘度和强迫频率。该方程还产生频率-幅度响应曲线。此外，对于固定的液体粘度，我们的研究确定的频率，产生足够的最小强迫振幅启动空化。数值模拟的全瑞利-Plesset方程证实了这些预测的准确性。最后，这些研究结果的影响，包括两个频率的声压场进行了讨论。
1999-11-26 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Acoustic Cavitation Rheometry
由于软材料的高顺应性和其机械性能的应变率依赖性，软材料的表征具有挑战性。基于惯性微空化的高应变速率流变学（IMR）方法[Estrada等人，J. Mech. Phys. Solids，2018，112，291-317]将激光诱导空化测量与气泡动力学模型相结合，以测量聚丙烯酰胺水凝胶在从$10^3$到$10^8$的$^{-1}$的高应变率下的局部性质。虽然有希望，激光诱导空化涉及等离子体形成和光学击穿成核过程中，一个过程，可以改变局部材料的性能之前，获得测量。在本研究中，我们扩展的IMR方法的另一种手段来产生空化，即高振幅聚焦超声，并应用所产生的声空化为基础的IMR来表征琼脂糖水凝胶的机械性能。材料特性，包括粘度，弹性常数，和无应力气泡半径推断从气泡半径的历史在$0.3\%$和$1\%$琼脂糖凝胶。基于集合的数据同化用于进一步帮助解释所获得的估计。所得的参数分布与琼脂糖凝胶特性的可用测量值和与凝胶浓度和高应变率加载相关的预期趋势一致。我们的研究结果表明，应用IMR和数据同化方法与单泡声空化数据的粘弹性测量的效用。
2020-11-23 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Thermodynamic State of the Interface during Acoustic Cavitation in Lipid Suspensions
利用水化敏感荧光探针的共定位发射光谱，以亚微秒分辨率观测了冲击波空化过程中脂质界面的热力学状态。实验结果表明，在脂质界面的相变附近，空化阈值最低。空化崩溃时间和空化过程中的最大状态变化被发现是一个函数的驱动压力和脂质界面的初始状态。实验表明，在空化膨胀阶段的脂质的脱水和结晶，这表明蒸发的汽化热是从界面内吸收，这是热力学解耦的自由水。该研究强调了空化动力学中界面的热力学状态的关键作用，其对超声介导的药物递送、听神经刺激、超声造影剂和空化期间冰的成核具有机械影响。
2019-03-26 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Cavitation Acoustic Perturbation Equations: A Computational Framework for Source-Resolved Multiphase Hydroacoustics
University of British Columbia（不列颠哥伦比亚大学）
研究开发与空化一致的声扰动框架预测空化流声音，将空化物理嵌入声方程，纳入多种效应分辨噪声源。经一维波传播问题验证后用于绕圆柱和水翼空化流，能分析源频率等，为流体声学相关研究提供有效工具。
2026-07-23 math-ph math.MP physics.flu-dyn
The Kirkwood-Bethe hypothesis for bubble dynamics, cavitation and underwater explosions
本文综述并推广 Kirkwood–Bethe 假说模型，验证其在低计算成本下预测气泡动力学、空化及水下爆炸相关声传播与冲击波的能力。
2024-05-04 physics.flu-dyn
Asymmetricity and sign reversal of secondary Bjerknes force from strong nonlinear coupling in cavitation bubble pairs
目前声空化的大多数应用都是利用具有多气泡动力学特性的气泡群。这就需要完全理解单个气泡之间的相互非线性耦合。在这项研究中，强非线性耦合的气泡对，这是最简单的情况下的气泡团。这导致推导出一组更全面的耦合Keller-Miksis方程（KMEs），其中包含高阶非线性耦合项。控制KME考虑源自纳维-斯托克斯方程的对流贡献。系统的KME数值求解声激励气泡对。结果表明，高阶修正在估算密排气泡的二次Bjerknes力时是很重要的。此外，不对称性见证了在弱，规则和强声场中的二次Bjerknes力的大小和符号反转。根据已发表的科学文献检查所获得的结果。预计本文中报告的研究结果可能会对需要控制空化及其影响的行业产生影响。
2019-05-20 nlin.CD physics.flu-dyn
Bubble-bubble interaction: A potential source of cavitation noise
研究了压力脉冲作用下微气泡间的相互作用，结果表明微气泡间的相互作用是空化噪声的一个来源。最近的一份报告表明，由虾产生的噪音来自于当虾关闭其笛鲷爪时产生的空化泡的破裂。所记录的声信号包含由正脉冲和负脉冲组成的宽带噪声，但是单个气泡的理论模型不能再现负脉冲。使用非线性多气泡模型，我们在这里表明，负脉冲可以通过考虑空化气泡崩溃和破碎后形成的微气泡的相互作用来解释：在微气泡崩溃时产生的正脉冲撞击并冲动地压缩相邻的微气泡，以产生振幅为负的反射脉冲。讨论了噪声产生过程的细节，我们发现，如果反射气泡的内部压力很高，当被正脉冲击中时，不会产生负脉冲。
2009-11-27 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Nucleation threshold and deactivation mechanisms of nanoscopic cavitation nuclei
捕获在空腔中的气泡的声成核阈值已经由Atchley & Prosperetti [J. Acoust. Soc. Am. 86，1065-1084（1989）]。在这里，我们确定这个阈值的实验，通过施加一个单一的压力脉冲被困在圆柱形的纳米凹坑（“人工裂缝”）半径下降到50纳米的气泡。通过逐步降低最小压力，我们观察到的阈值的气泡开始成核。实验结果与Atchley & Prosperetti的理论预测在定量上非常吻合。此外，我们提供的机制，解释了空泡核的失活：气体扩散与非球面气泡崩溃。最后，我们提出了超疏水核不能被灭活，除非与高速液体射流直接进入坑。
2009-06-02 physics.flu-dyn
Modeling of Hydroacoustic Noise from Marine Propellers with Tip Vortex Cavitation
本研究通过大涡模拟与空化模型及声类比，研究船用螺旋桨梢涡空化湍流，发现空化增强水下辐射噪声，尤其下游方向声压级增加达20分贝。
2024-05-24 physics.flu-dyn
Cavitation by phase shift of focused shock waves inside a droplet
ETH Zürich（苏黎世联邦理工学院）；Imperial College London（帝国理工学院）；Tokyo University of Agriculture and Technology（东京农工大学）；Otto-von-Guericke-University Magdeburg（马格德堡奥托·冯·格里克大学）；ESRF – The European Synchrotron（欧洲同步辐射装置）；Institut Max von Laue - Paul Langevin (ILL)（马克斯·冯·劳厄-保罗·朗之万研究所）
研究通过冲击波相位移在液滴内产生负压空化，无需外部稀疏波，揭示了冲击波传播的物理机制，为生物医学治疗的安全性和精度提升提供新思路。
2026-03-26 physics.flu-dyn
Wave-Flow Interactions and Acoustic Streaming
波与流的相互作用是一个具有挑战性的课题，在流体动力学的情况下，由于基本的非线性特征，完整的解决方案一直受到挫折。即使在流动介质中的电磁波的情况下，结果也是微妙的。对于一个简单的剪切流的常数n流体，入射辐射被示出以类似的方式反射和折射的斯涅耳定律。然而，光束强度不同，并且系统具有不对称性，因为内部反射间隙在几乎与剪切取向的陡峭入射角处打开。对于EM波，这些影响在实际系统中通常可以忽略不计，但它们在更有趣的声学情况下以降低的复杂性水平引入主题。声流的建议，无论是从理论和实验数据，与涡产生在驱动器本身。在散装和非线性效应的涡的界限表明，散装源，即使有衰减，不能驱动这样一个强大的流。审查的速度尺度的问题表明，Scholte波的变化与局部空化的减压阶段的驱动器-流体界面创建一个横向流动的流体，产生的流，并赋予从驱动器板的涡度。在烧结介质中的达西流的情况下，数据分析表明，声学增强流可能是表面效应的结果，该表面效应使被超声空化清除的通道变窄。
2016-02-16 physics.flu-dyn
When bubbles are not spherical: artificial intelligence analysis of ultrasonic cavitation bubbles in solutions of varying concentrations
液体的超声波照射，如水-酒精溶液，导致空化或形成小气泡。在不使用光学陷阱的情况下，在真实的溶液中产生空化气泡，使我们的系统尽可能接近真实的条件。在超声波的作用下，气泡可以生长，振荡，最终崩溃或分解。我们应用运动分离的数学方法来解释声对气泡的影响。虽然在大多数情况下，气泡的球形形状在能量上是最有利的，因为它使表面能最小化，但是当声频与气泡的固有频率共振时，出现具有二面角对称性的形状。其中一些共振形状变得不稳定，因此气泡分解。结果表明，气泡在不同浓度（具有不同的表面能和密度）的溶液中具有不同的演化路径。虽然很难获得溶液浓度如何影响气泡动力学的确定性描述，但可以通过应用人工神经网络（ANN）算法来分离具有不同浓度的图像。训练人工神经网络，根据气泡图像检测水溶液中的酒精浓度。这表明，人工智能（AI）方法可以在非平衡、接近不稳定的情况下补充确定性分析。
2022-01-04 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Cavitation nuclei regeneration in water-particle suspension
气泡在水中的成核通常是由沸腾、气体过饱和或空化作用引起的，而气泡的成核则是由于气泡被困在固体缺陷中而产生的。尽管这种被称为原子核的气袋的不稳定性已被广泛研究，但对原子核动力学知之甚少。在这里，核的水颗粒悬浮液被激发声空化，并通过监测空化概率超过几千个脉冲，他们的动态进行了研究。一个稳定的和可重复的空化概率出现后，几千个脉冲，并取决于颗粒浓度，疏水性，和溶解的气体含量。我们的观察结果表明，一个稳定的核分布是在较晚的时间达到，不同于以前报道的核耗尽在早期的时间。这一明显的悖论是阐明通过改变激发率，其中的空化活动增加的重复周期，表明核耗尽是平衡的自发成核或生长的核。这种自我支持的生成核的模型表明，起源于表面上的溶解气体吸附。所开发的方法可以用来进一步了解非均匀表面上纳米尺寸气泡的自发形成和分布。
2019-12-16 cond-mat.soft physics.flu-dyn
From Optical Breakdown to Bubble Inception: A Coupled Plasma-Thermal Framework for Nanosecond Laser-Induced Cavitation in Water
University of Houston（休斯顿大学）
针对纳秒激光诱导空化中初始空腔的物理起源问题，提出耦合等离子体-热力学框架，统一描述自由电子动力学、等离子体吸收、热弹声学响应、残余热能保留及气泡演化，揭示气泡萌生主要由等离子体诱导的热弹声学弛豫控制，并实现与实验的准确对比。
2026-06-15 physics.app-ph physics.flu-dyn
Multibubble cavitation inception
本文从理论和数值两方面研究了多泡空化的初生过程，指出了多泡空化与单泡空化的不同之处。使用多气泡模型的基础上的瑞利-Plesset方程与声学相互作用项，我们证实，最近报道的抑制空化初生由于不相同的气泡的相互作用，不仅可以发生在液态汞，但也在水中，我们发现，一个相对较大的气泡可以显着降低附近的小气泡的空化阈值压力。通过详细研究的过渡区，其中的动态抑制气泡的变化急剧气泡间的距离的变化，我们确定的爆炸性膨胀的气泡在负压下可以中断，并变成崩溃，即使远场液体压力以及超过气泡的阈值压力。数值结果表明，当气泡半径超过瞬时不稳定平衡半径时，发生膨胀的中断，所述瞬时不稳定平衡半径是利用作用在气泡上的总压力确定的。当我们将讨论扩展到更大数量的气泡的系统时，我们发现更大数量的气泡具有更强的抑制效果。本研究结果将有助于理解在实际应用中的空化气泡的复杂行为，在一般情况下，许多空化核存在，并可能相互作用。
2009-11-27 physics.comp-ph physics.flu-dyn
The Gilmore-NASG model to predict single-bubble cavitation in compressible liquids
将Gilmore模型与Noble-Abel-stiffened-gas（NASG）状态方程相结合，得到一个基于真实气体热力学的预测球形气泡膨胀和坍缩的简单模型。NASG状态方程解决了与常用的Tait液体状态方程相关的温度不准确性，因此，可以提供空化期间气泡内容物和周围液体的可压缩和热效应的一致描述。在详细推导了所提出的Gilmore-NASG模型后，通过与气泡破裂相关的单气泡气穴现象以及与声致发光相关的频率和振幅区域的声激励驱动的结果，强调了经典Gilmore-Tait模型与所提出的模型之间的差异。高强度聚焦超声和冲击波碎石术。特别是对于快速和剧烈崩溃的气泡，可以观察到的气泡行为之间的建议Gilmore-NASG模型和经典的Gilmore-Tait模型的显着差异。Gilmore-NASG模型能够同时预测气体、蒸汽和液体中的可靠压力和温度值，这使得所提出的模型对于声化学和生物医学应用特别有吸引力。
2020-08-21 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Eulerian-Lagrangian method for simulation of cloud cavitation
本文提出了一种欧拉-拉格朗日耦合方法来模拟可压缩液体中的云空化现象。该方法的目的是捕捉强大的，体积振荡的每个气泡和气泡散射声学。的气泡混合物的动力学制定使用体积平均的运动方程。连续相离散欧拉网格和集成使用高阶，有限体积加权基本无振荡（WENO）计划，而气相被建模为球形，拉格朗日点气泡在亚网格尺度，其径向演变的跟踪通过求解凯勒-Miksis方程。通过使用正则化（涂抹）内核将气泡的体积映射到欧拉网格上作为空隙率。在最一般的情况下，气泡分布是任意的，三维笛卡尔网格用于空间离散化。为了减少具有平移或旋转均匀性的问题的计算成本，我们空间平均的控制方程沿对称方向和离散的连续相的二维或轴对称网格，分别。我们指定一个正则化内核，映射到一个平均的二维或轴对称的空泡分数的字段的三维分布的气泡。一个封闭的开发模型的压力波动在亚网格尺度合成噪声。对于这里考虑的例子，建模的子网格压力波动的白噪声同意先验与计算的分布从三维模拟，并足以，后验，准确地再现统计的气泡动力学。数值方法和验证考虑测试情况下的单气泡和云空化超声场诱导的动力学。
2017-12-05 physics.flu-dyn
Propagation of Nonlinear Acoustic Waves in the Suspension of Ultrasound Contrast Agents Part I: Equation for Counting Resonance Effects and Revealing Acoustic Localization
超声造影剂的振荡对于理解声波在气泡液体（超声造影剂的悬浮液）中的传播特别重要。声波在含泡液体中的传播已被广泛研究。很少有人致力于传播波的微泡的共振效应。本文得到了描述气泡液体中微气泡共振频率附近一维声波传播的非线性偏微分方程。该方程恢复了有限振幅声波在液体中传播的经典结果，并明确地解释了气泡液体中的声定位。
2018-10-04 physics.flu-dyn
On the sound of snapping shrimp
流体动力学视频：捕捉虾产生一个非常迅速的关闭他们的笛鲷爪啪的声音。我们对爪闭合的高速成像显示，声音是由在爪闭合期间从爪中被迫喷出的快速流动的水射流中形成的空化气泡的破裂产生的。产生的声音来源于空泡的空泡溃灭。在坍缩时，会发出短暂的闪光，就像单个气泡的声致发光一样。基于瑞利-普莱西方程的模型可以定量地解释视觉和听觉观测。
2007-12-13 physics.ed-ph physics.flu-dyn
Estimating viscoelastic, soft material properties using a modified Rayleigh cavitation bubble collapse time
本研究提出利用修正的瑞利空化泡溃灭时间的声学特征估算软材料粘弹性特性，拓展了惯性微空化流变仪的应用范围，可用于不透明材料，且对刚度大于10kPa的材料能提供定量有效信息。
2023-10-03 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Comprehensive analysis of spherical bubble oscillations and shock wave emission in laser-induced cavitation
球形激光诱导空化气泡在水中的动力学研究等离子体摄影，时间分辨阴影，和单发探针光束散射，使描绘从初始的非线性到后期的线性振荡的过渡。后期振荡的频率产生气泡的气体含量。模拟与吉尔摩模型使用等离子体的大小作为输入和振荡时间作为拟合参数提供的见解实验上无法访问的气泡参数和冲击波发射。该模型是由一个长期覆盖的初始冲击驱动的气泡壁的加速，一个自动化的方法确定冲击波前的位置和压力衰减，和吸收的激光能量的汽化，气泡和冲击波能量的分区的能量平衡，并通过粘度和冷凝耗散。这些工具用于分析覆盖102个振荡周期的散射信号。气泡由平均温度为1550 K的等离子体产生，最大半径为36 $μ$ m。膨胀过程中气泡壁面速度的预测值与实验值吻合较好。在第一次崩溃时，大部分能量储存在气泡周围的压缩液体中，然后通过声学辐射出去。坍塌的气泡含有更多的蒸汽而不是气体，其压力为13.5 GPa。反弹冲击波的压力最初衰减$\propto r^{-1.8}$，和能量耗散在冲击波阵面加热气泡壁附近的液体以上的极限。冲击引起的温度升高降低了后期气泡振荡期间的阻尼。对于半径小于10 $μ$ m的小气泡，气泡动力学变化显著。
2021-09-09 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Vapor compression and energy dissipation in a collapsing laser-induced bubble
本研究利用水氨溶液中单空化泡实验，发现更高蒸汽压会阻碍溃灭、降低总能量耗散并促进球形溃灭，同时证实蒸汽被压缩且冲击波发射并非主导耗散机制，为工程与生物医学高效利用空化提供了新见解。
2024-03-22 physics.flu-dyn
Bubble cloud dynamics in an ultrasound field
研究了高强度聚焦超声在气泡云尺寸与超声波长相近的条件下产生的气泡云的动力学行为。高速图像显示，云是不对称的;最接近源的气泡比远端的气泡生长到更大的半径。在模拟实验室实验的数值模拟中观察到了类似的气泡云结构。为了阐明的结构，进行了参数研究，平面超声波与不同的振幅和扩散云与不同的初始空隙率。在分析气泡振荡引起的液体动能的基础上，引入了一个新的标度参数来表征气泡振荡的动力学特性。新参数推广了最初由d 'Agostino和Brennen（1989）引入的云相互作用参数。动力相互作用参数控制云的能量局部化和由此产生的各向异性。此外，远场气泡散射声学的振幅同样与所提出的参数相关。本研究的结果不仅揭示了云空化的物理学，但也可能是有用的量化空化的影响，超声治疗的结果，包括HIFU碎石术。
2018-04-30 physics.flu-dyn
Influence of inertial confinement on laser-induced bubble generation and shock wave emission
本文扩展Gilmore模型，研究惯性约束对激光诱导气泡生成与冲击波发射的影响，发现飞秒脉冲比纳秒脉冲更具破坏性，并探讨其在显微手术和微流体操控中的应用。
2025-01-23 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Bubble puzzles: From fundamentals to applications
几个世纪以来，泡泡一直吸引着艺术家、工程师和科学家。尽管对它们进行了长达一个世纪的研究，但新的和经常令人惊讶的泡沫现象，特征和应用不断涌现。在本文中，我勾勒了我个人的科学气泡之旅，从单气泡声致发光开始，继续与声发射和散射的气泡，空化，抢购虾，冲击事件，空气夹带，表面微和纳米气泡，最后来到有效力模型的气泡和分散的气泡两相流。特别是，我还涵盖了气泡的各种应用，即超声诊断，药物和基因输送，压电声学喷墨打印，浸没式光刻，声化学，电解，催化，声学海洋地球物理调查，以及海军舰艇的气泡减阻，并展示了这些应用程序如何跨越我的方式。我还试图表明，好的和有趣的基础科学和相关的应用不是一个矛盾，而是相互促进的两个方向。
2020-01-03 cond-mat.soft nlin.CD physics.flu-dyn
