激光空化射流力及空蚀机制检测技术

倪韬 李葳 朱建

摘要：为了研究激光空蚀机制在水中对于靶材的破坏效果，建立了激光的微细作用检测系統，用水听器对产生的声压信号进行采集，通过压电薄膜在示波器上显示输出电压的有效值，计算得到激光对工件表面所产生的冲击应力。调节激光能量，分析等离子体、空泡脉动声压;运用运动控制系统调节工作台，测得不同γ的水下脉冲应力，并进行分析。

关键词：冲击波;空化射流;声压信号;激光能量;无量纲参数

1、引言：

空化空蚀现象是水力机械设备中常见的有害现象，它能够产生强烈的冲击、振动和噪声，在很大程度上降低使用设备的寿命、工作效率及其稳定性^[1]。

当激光聚焦点能量大于液体的可承受能量时，液体会被击穿，并产生发光的等离子体。等离子体吸收激光能量对外膨胀时，会对外辐射出冲击波，并且产生少量的激光空泡，这就是激光空化现象^[2]。在空化空蚀研究中，利用激光诱导产生空泡不仅效率高，而且空泡的球对称性好，位置准确，更利于空泡现象的研究与检测，为研究空化空蚀机理提供了新的路径^[3]。

目前，国内外的研究人员主要采用高速摄影法、光偏转法、干涉法及其压电换能器探测法等对固体壁面附近的空泡空化进行研究。南京理工大学的陈笑，徐荣青^[4]等利用高灵敏度光纤传感器研究了激光在水下加工金属产生的等离子体空泡及其脉动特性。海军工程大学的宗思光，王江安^[5]等人利用高速摄影法对空泡在壁面附近溃灭导致的冲击波和射流特性进行了深入的研究。REN^[6]等采用高速摄像机和水听器系统获得空化气泡的动态特征和冲击波，研究了相对距离参数与空化气泡强化机理的关系。

在激光击穿液体形成空泡的过程中，空泡向外辐射等离子冲击波并产生空泡脉动，两者都会产生声压信号。采用高灵敏度的探针式水听器对产生的声压信号进行采集，通过压电薄膜在示波器上显示输出电压的有效值，将电压值除以水听器声压灵敏度，得到激光对工件表面所产生的冲击应力^[7]。

2、激光空蚀机制机理

当激光经过电解液聚焦在靶材表面时，如果激光能量超过电解液的击穿能量，水将会被激光击穿，形成发光的等离子体^[8]，吸收激光能量后等离子体对外膨胀，将附近的水压缩，产生空泡并产生向外的冲击波。由于初始时刻空泡外部压强远小于内部，空泡不断膨胀，使周围液体发生相对流动，产生一定的速度。当空泡膨胀到最大半径时，外部压强大于内部压强^[9]，将空泡压缩，在压缩瞬间辐射出冲击波。直到空泡被压缩到内外压强能处于暂时平衡状态，第一次脉动循环结束。

此后，空泡会继续发生膨胀和压缩，并多次循环直至空泡溃灭，由于每次压缩都会伴随着内部能量的损失，辐射出的冲击波会一次比一次小，最终在靶材表面上消失。

实验中采用的是NCS-1 PVDF探针式水听器，它是利用压电效应进行超声场测量的声电传感器，敏感元件是聚偏氟乙烯压电薄膜（PVDF）^[10]。在实验中，将水听器的探针放置于激光聚集处附近，水被击穿后等离子体吸收能量膨胀会对外辐射冲击波，形成声压信号，压电薄膜将接收到的声压信号转化为电信号，并通过线路将电信号转入示波器，并通过XVIEWER对结果进行记录与分析^[11]。

在水中，激光空泡辐射的声压以近似球形波向外扩散，依据水听器的位置和采集的信号值，计算水下声信号的声能E为：

E =

式中，v_w为水中声速（约为1500m/s），p 为水听器测量的声压（单位Pa）， 为水听器与空泡泡心之间的距离（单位m），t 是时间^[7]。

虽然空泡外表是椭圆形，但在计算时，假定空泡为球对称，同时假定空泡、液体温度都是均匀一致（不考虑热效应）;同时，空泡中的气体含量与表面张力也会对计算产生一定影响，需假设泡内气体含量为0^[12]，此时空泡可近似为一个点，即空泡的半径为0。著名的学者Rayleigh（1917）^[13]通过积分得出了空泡从R=R₀到R=0完全破裂所需的时间为：

T=0.915（）^1/2

泡能E_b=（p_w-p_v）

为液体的密度（本实验为水，密度1000kg/m³）;R₀为空泡的半径（单位m，本实验中最大半径为R_max）;p_w为水的静压强（可取当地大气压，约为10⁵Pa）;p_v为空泡中的气体压强（约为2400Pa）^[7]。

3、实验测量装置

（1）实验参数选择

实验过程中，选定激光参数为：波长1064nm;脉宽10ns;频率1Hz;能量：50mJ、80mJ、110mJ、140mJ、170mJ、200mJ;光斑直径100μm。

选择电解液为：0.5mol/L的NaNO₃溶液。

脉冲电流参数：脉冲宽度50ns;平均电流5mA;占空比为1：10;脉冲频率：2MHz。工件材料：厚度为3mm的7075航空铝片^[14]。

（2）声学检测装置

将40mm×30mm×3mm的7075航空铝片固定于加工平台上，设置工件上表面电解液厚度8mm，将铜圈阴极置于电解液中距离铝质工件上表面lmm处。水听器须放置在距离铝片5mm处以保证不会被激光器影响，同时要与入射激光呈45°，通过线路将电信号转入示波器^[14]。

（3）检测装置总述

激光空化射流力检测装置如图1所示。激光发生器发射激光束，经过光学仪器聚焦于电解液中的铝片上，产生等离子体对外膨胀冲击波和空泡溃灭辐射冲击波，产生声压信号，声压信号转化为电信号，示波器收集并储存电信号，通过XVIEWER进行信号分析;在激光空化射流力检测时，依次设定激光能量为50mJ，80mJ，110mJ，140mJ，170mJ，200mJ，聚焦于浸入电解液（NaNO3）的航空铝片表面，以产生激光空化空泡，并得到空泡形成至溃灭阶段的声压信号^[14]。

激光空化射流力检测装置的示意图如下。

图中：1.激光发生器，2.控制系统，3.示波器，4.脉冲电流发生器，5.运动控制系统，6.光学仪器，7.水听器，8.X-Y工作平台，9.水槽。

由图2可以看出，该过程中有三个较为明显的声压信号：第一个是激光击穿电解液形成等离子体对外膨胀产生的冲击波信号;第二个是空泡膨胀到最大瞬间被压缩所产生的对外辐射冲击波信号;第三个是第二次循环脉动，空泡膨胀到最大瞬间被压缩对外辐射的冲击波信号。激光空泡第1次脉动周期T₁就等于等离子体冲击波声压信号与空泡第1次声信号之间的时间，激光空泡的第二次脉动周期T₂就等于空泡第1次声信号与第2次声信号之间的时间。实验结果各测量20次，删除最大和最小值，其他值求平均值填入表格。

由表（圖3）可看出：激光能量增加，空泡第1次生存周期T₁、第2次生存周期T₂增加。因为激光能量的增加使空泡能够获得更多的能量，空泡脉动周期增大。而第1次生存周期明显大于第2次生存周期，这是因为空泡每次压缩都会伴随着内部能量的损失，在加上电解液的粘滞作用，空泡携带能量不断减少，所以生存周期也减少。

将不同激光能量下声压信号进行对比。可看出，激光能量增加，等离子体吸收能量对外辐射冲击波、第一次膨胀辐射以及第二次膨胀声压信号均增大。但由于第一次压缩带来的泡能损失以及水对于空泡的粘滞作用，第二次空泡膨胀时泡能远小于第一次，所以声压信号与第一次差距很大。

利用上文中的空泡完全破裂所需时间公式与泡能公式，可以得出空泡最大半径、泡能与激光能量之间的联系。激光能量增大，空泡泡能增大，所以第1次与第2次空泡膨胀溃灭对外辐射冲击波声压信号增大，而空泡可膨胀达到最大半径也在增大;在相同的激光能量作用下，第1次膨胀空泡的泡能与所能达到的最大半径均远大于第2次。

4、结论

靶材产生空蚀的主要原因是，空泡溃灭时对靶材产生了冲击，冲击主要有两种表现形式：对外辐射的冲击波以及空泡溃灭所产生的高速射流力。

（1）利用水听器采集水中的声压信号，在示波器上显示输出电压的有效值，通过计算得到激光对工件表面所产生的冲击应力。

（2）激光能量增加，空泡泡能增加，对外辐射的冲击波和循环脉动的强度增加，空泡循环脉动时所能达到的最大半径增加。

（3）当激光能量相同时，第二次脉动由于第一次收缩时的能量损耗以及水的粘滞，泡能小于第一次，最大半径R_max也远小于第一次。

参考文献

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作者简介：倪韬，生于1998年8月，汉族，江苏盐城人，江苏大学本科在读，机械设计制造及其自动化专业。

李葳，生于1997年3月，汉族，天津静海人，江苏大学本科在读，机械设计制造及其自动化专业。

朱建，生于1999年6月，汉族，江苏徐州人，江苏大学本科在读，机械设计制造及其自动化专业。

项目信息：本文系江苏大学第十七批科研立项项目。

（作者单位：江苏大学）