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Untersuchung von Einzel- und Mehrblasensystemen in akustischen Resonatoren

Investigation of single and multi bubble systems in acoustic resonators

by Dagmar Krefting
Doctoral thesis
Date of Examination:2003-10-28
Date of issue:2003-12-16
Advisor:Prof. Dr. Werner Lauterborn
Referee:Prof. Dr. Werner Lauterborn
Referee:Prof. Dr. Dirk Ronneberger
crossref-logoPersistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-2815

 

 

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Name:krefting.pdf
Size:25.7Mb
Format:PDF
Description:Dissertation
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Abstract

English

Acoustically driven bubbles in a liquid perform volume oscillations and translational motion. In standing sound fields the bubbles form complex spatio-temporal structures (acoustic cavitation fields).Basic investigations are carried out on single bubble systems. The feedback of a single bubble on the driving system´s resonance is experimentally studied and a significant influence on the resonance frequency is measured. The translational dynamics in a weak sound field is calculated analytically under the assumption of linear volume oscillation. The bubble motion is also experimentally determined and compared with a numerical model under consideration of the viscous dragforce. Apart from qualitative investigations of the excitation of surface modes, single bubble sonoluminescence is realized in air-saturated water.Concerning multi bubble fields, the appearing spatial configurations can be subdivided into few classes. The characteristic properties of these structures are described and different experimental investigations are carried out. In particular, the influence of bubble sources, i.e. places where bubbles may be generated, on structure formation is studied. The velocity distribution in the bubble field at different driving amplitudes and the correlation between sound emission and structure formation in the cavitation field are investigated. Furthermore, high-speed cinematographic recordings of cleaning and erosion processes in acoustic cavitation fields are analyzed.
Keywords: cavitation; nonlinear dynamics; sonoluminescence; acoustics; bubble dynamics

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Blasen in Flüssigkeiten können unter dem Einfluss eines akustischen Stehwellenfeldes sowohl Pulsations- als auch Translationsbewegungen ausführen. Dabei bilden sich komplexe raumzeitliche Strukturen (akustische Kavitationsfelder).In der vorliegenden Arbeit werden grundlegende Untersuchungen an Einzelblasensystemen durchgeführt. Die Rückkopplung der Blasen auf die Resonanzeigenschaften des schallgebenden Systems wird experimentell untersucht, wobei sich ein signifikanter Einfluss der Blasen auf die Resonanzfrequenz des Gesamtsystems zeigt. Die Translationsbewegung im schwachen Schallfeld wird für den Grenzfall linearer Volumenschwingungen analytisch berechnet, experimentell bestimmt und mit einem numerischen Modell unter besonderer Berücksichtigung der viskosen Reibungskraft verglichen. Neben qualitativen Untersuchungen zur Anregung von Oberflächenschwingungen kann gezeigt werden, dass Einzelblasensonolumineszenz auch in luftgesättigtem Wasser erzeugt werden kann.In Mehrblasensystemen können die auftretenden räumlichen Konfigurationen in wenige Klassen unterteilt werden. Die charakteristischen Eigenschaften dieser Strukturen werden beschrieben und verschiedene experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Insbesondere wird dabei der Einfluss von Blasenquellen, d.h. Orten, an denen Blasen entstehen können, auf die Strukturbildung untersucht. Es werden Geschwindigkeitsverteilungen des Blasenfeldes bei verschiedenen Anregungsamplituden bestimmt, sowie der Zusammenhang zwischen akustischer Emission des Kavitationsfeldes und der Strukturbildung untersucht. Desweiteren werden hochgeschwindigkeitskinematografische Aufnahmen von Reinigungs- und Erosionsprozessen in akustischen Kavitationsfeldern ausgewertet.
Schlagwörter: Kavitation; Nichtlineare Dynamik; Sonolumineszenz; Akustik; Blasendynamik
 

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