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研究生:沈建成
研究生(外文):Jian-Cheng Shen
論文名稱:氣泡振動阻尼機制之研究
論文名稱(外文):Study on the Damping Mechanisms of Bubble Oscillations
指導教授:黃清哲黃清哲引用關係
指導教授(外文):Ching-Jer Huang
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:水利及海洋工程學系碩博士班
學門:工程學門
學類:河海工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:61
中文關鍵詞:氣泡振動阻尼輻射阻尼熱阻尼自由液面黏滯阻尼形狀振動
外文關鍵詞:bubble oscillationsradiation dampingthermal dampingfree surfaceviscous dampingshape oscillation
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本文以實驗方法求得水中氣泡振動之阻尼常數,並與理論值比較。實驗方法主要是藉由水滴撞擊水面於水中產生單一氣泡,並利用水中聽音器量測氣泡之聲壓訊號。分析聲壓訊號可求得氣泡振動之阻尼常數。實驗所得阻尼常數將與理論解比較,以驗證目前文獻上有關氣泡振動阻尼理論之準確性。理論上,氣泡振動過程中能量損失主要有三種機制,分別為輻射阻尼、熱阻尼及黏滯阻尼。此外,當氣泡靠近自由液面時,氣泡之聲場會類似一偶極聲源 (dipole)之聲場,影響其輻射阻尼。若氣泡剛生成時為非圓球形時,也會有形狀振動模式。當形狀振動頻率與氣泡徑向振動頻率相同發生共振時,會產生額外的黏滯阻尼。本文氣泡振動阻尼常數之實驗值與考慮上述阻尼機制所得之理論值相較之下,相當吻合。此外,當氣泡半徑較大時,考慮形狀振動與徑向振動共振之黏滯阻尼,會使得理論值與實驗值較接近,但對較小氣泡而言,上述結果剛好相反。
This paper determined the damping constant of the bubble oscillation experimentally. The experimental damping constants were then compared with the theoretical values, for verifying the accuracy of the theories. The bubble was produced by impacting single water droplet on a water surface. An underwater monitoring system was set up for detecting the sound of the bubble. The damping constants were then determined from the measured bubble sound. Theoretically, the attenuation of a spherical bubble in radial vibration is due to the radiation damping, the thermal damping, and the viscous damping. When the bubble locates near the free surface, the radiated sound field from the bubble behaves like that of a dipole. Furthermore, if the generated bubble is not spherical, a shape oscillation mode exists. The resonance of the shape oscillation and the radial vibration induces additional viscous damping. The experimental data for damping constants were in good agreement with the theoretical values. It is also to note that for larger bubbles, the inclusion of the viscous damping due to the resonance of the shape oscillation and the radial vibration reduces the deviation between the theory and the experiment. However, for smaller bubbles, the results were on the contrary.
中 文 摘 要 I
英 文 摘 要 II
謝 誌 III
目 錄 IV
表 目 錄 VI
圖 目 錄 VII
符 號 說 明 IX

第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 水中振動氣泡衰減的機制(前人研究) 1
1.3 研究目的 3

第二章 理論分析 4
2.1 氣泡的運動方程式 4
2.1.1 Rayleigh-Plesset 方程 4
2.1.2 二階線性微分運動方程 7
2.2 熱阻尼(thermal damping) 9
2.2.1 無因次的熱阻尼常數 9
2.2.2 熱過程常數 對阻尼常數的影響 13
2.2.3 氣泡表面張力常數對阻尼常數的影響 14
2.2.4 熱擴散係數 對熱阻尼常數的影響 15
2.3 黏滯阻尼(viscous damping) 16
2.4 輻射阻尼(radiation damping) 18
2.5 氣泡形變(distortion of shape)所造成的阻尼20

第三章 實驗佈置及方法 23
3.1 實驗儀器設備 23
3.2 實驗佈置及方法 23
3.2.1 降雨實驗之實驗條件 24
3.2.2 降雨噪音的量測 24
3.3 實驗分析方法 24
第四章 實驗結果與討論 26
4.1 實驗環境噪音分析 26
4.2 處理氣泡產生時的訊號資料 27
4.2.1 濾波 27
4.2.2 估算氣泡的頻率及計算阻尼值 28
4.3 理論與實驗阻尼值之比較 29
4.3.1 球形氣泡的阻尼理論值 29
4.3.2 球形氣泡理論和實驗阻尼值的比較分析 31
4.3.3 考慮氣泡形狀振動所造成能量損失 32

第五章 結論與建議 33
5.1 結論 33
5.2 建議 34
參 考 文 獻 35
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27.尹孝元,“水下爆炸氣泡之動力分析 ”,國立成功大學水利及海洋工程研究所碩士論文 (1996)。(指導教授 黃清哲)
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29.許世盛,“近岸碎波產生氣泡之特性”,國立成功大學水利及海洋工程研究所碩士論文(2000)。(指導教授 黃清哲)
30.葉智惠,“水滴撞擊水面產生氣泡之類型及噪音特性之研究”,國立成功大學水利及海洋工程研究所碩士論文 (2002)。(指導教授 黃清哲)
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14. 陳欣之,『東協諸國對中國威脅論的看法與回應』,《問題與研究》 第35卷 第11期 民國85年11月,頁15─33。
15. 陳鴻瑜,『南海石油資源開發與政治衝突』,《東南亞季刊》 第1卷 第3期 1996年7月,頁19─42。