Untersuchung von Einzel- und Mehrblasensystemen in akustischen Resonatoren
Investigation of single and multi bubble systems in acoustic resonators
by Dagmar Krefting
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
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Format:PDF
Description:Dissertation
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