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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:謝兆鳴
研究生(外文):Hsieh, Chao-Ming
論文名稱:以雙頻驅動單一超音波探頭強化空穴效應之可行性研究
論文名稱(外文):Investigation of Acoustic Cavitation Enhancement by Using Dual-Frequency Sonication in Single Ultrasound Transducer
指導教授:劉浩澧劉浩澧引用關係
指導教授(外文):HaoLi,Liu
學位類別:碩士
校院名稱:長庚大學
系所名稱:電機工程研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2007
畢業學年度:95
語文別:中文
論文頁數:78
中文關鍵詞:空穴效應雙頻超音波
外文關鍵詞:Acoustic cavitationdual-frequency ultrasound
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中文摘要

聲穴效應(acoustic cavitation,或稱空穴效應)為利用聲壓在介質中週期性變化導致微氣泡擴張之物理現象,此效應已廣泛使用在工業應用如精密除塵、精密清洗等。此外,文獻研究亦發現此種效應具有應用在引發生物效應如藥物導入以及及因轉染上。本研究之目的為提出利用一種新型超音波雙頻超音波系統設計,可藉由單一超音波換能器產生雙頻或多頻超音波聲壓輸出,預期多頻超音波比傳統單頻驅動超音波將能有效增強空穴效應產生之效率。研究方法為探討在固定頻率及輸出功率下,改變去氣水及未去氣水的比率、不同頻率組合引發空穴效應之程度。再者以固定頻率及水含氣泡比率,改變輸出功率以探討輸出功率與氣泡數之關係,並且觀察在不同條件下之頻譜上的變化。此外,研究中亦實際量測聲場與聲場模擬比較。研究結果證實系統設計可同時將兩個不同輸入頻率經一個換能器轉換產生超音波,且證實雙頻超音波較單頻易於產生空穴效應。此技術將可應用在透過超音波空穴現象促進生物效應或增強藥物經皮導入效率,或改良現行工業應用上。
Abstract

Acoustic cavitation is one of a physical phenomenon that describes the interaction between ultrasonic energy and gas nuclei inside the medium and can induce the following gas bubble or macroscopic cavity formation. The radiation force emitted from bubble oscillation or bubble collapse have been widely utilized in industrial application such as high-precision wishing or dust-disposal, and has been recently discovered to have potential in bio-effect stimulation such as sonophoresis or gene transfection. The purpose of this study is to propose a novel ultrasound system design which can generate the dual or multiple ultrasonic energies form a single transducer and intend to enhance the acoustic cavitation compared with single ultrasound exposure. To confirm this, different frequencies and frequency combinations were employed, and two experimental procedures were designed: (1) to alternate the degassed/ non-degassed water ratio, and (2) to alternate the exposure power level. Generated macroscopically visible bubbles were counted and analyzed, and the spectrums of backscattered signal were recorded and their respective spectrums were observed. The measured pressure distributions were also compared with the theoretical ones. Results showed that dual-frequency ultrasound can apparently increase the bubble generation than single frequency sonication, which implies that acoustic cavitation was also enhanced. The proposed novel technology can be applied to sonophoresis or other bio-effect enhancement.
目 錄

指導教授推薦書………………………………………………………
口試委員會審定書……………………………………………………
授權書…………………………………………………………………iii
誌謝……………………………………………………………………iv
目錄……………………………………………………………………v
圖表目錄………………………………………………………………viii
中文摘要………………………………………………………………xii
英文摘要………………………………………………………………xiii

第一章 文獻回顧
1.1 超音波簡介..…………………….......………………….1
1.2 空穴效應……………………………………………......1
1.3 換能器….………………….……………………………2
1.4 雙頻與單頻超音波之效應..……………………………3
1.5 空穴效應與氣泡的關係..………………………………4
1.6 空穴效應的應用.….…………………….……………...5
1.7 研究目的..…...……………………..…………………...6
1.8 章節概要……………………………………………......6

第二章 系統架構與方法…………………………………………….8
2.1 實驗環境…………………………………………….....8
2.2 實驗系統組織……………………………………….....9
2.3 換能器………………………………………………...10
2.4 混波器………………………………………………...11
2.5 阻抗匹配……………………………………………...14
2.6 影像處理方式量化……………….…………………..22
2.7 空穴效應探討之方法………………………………...23
2.7.1 水濃度比率多寡與空穴效應產生之關係........23
2.7.2 於頻譜與時域波形上觀察……………………23
2.7.3 頻率對空穴效應之關係....................................23
2.7.4 功率與空穴效應之關係………………………24
2.8 水質量測………………………………………...........24
2.8.1 不同水比率下之水值量測……………............24
2.8.2 不同種類之水值量測………………................25
2.8.3 水值追蹤量…………………............................25
2.9 聲功率量測……………………………..……………..26

第三章 聲場理論分析與模擬方法…………………………………27
3.1 聲場理論………………………………………………27
3.2 模擬方法………………………………………………29
3.3 聲場實際量測之方法…......…………………………..30

第四章 結果與討論…………………………………………….......32
4.1 結果……………………………………………….......32
4.1.1 混波器測試結果…………………………........32
4.1.2 阻抗匹配器測試結果……………………........36
4.1.3 影像處理方式量化結果…………………........38
4.1.4 空穴效應之探討………………..……………..41
4.1.4.1水濃度比率多寡與空穴效應產生
之關係結果..…….……………….........41
4.1.4.2 頻譜與時域波形結果….......................42
4.1.4.3 頻率與空穴效應之關係結果…...........49
4.1.4.4 功率與空穴效應之關係結果...............51
4.1.5 水質量測結果…........…...................................55
4.1.5.1 不同種類之水質量測結果…...............55
4.1.5.2 不同種類之水質量測結果…...............56
4.1.5.3 水質追蹤量測結果……………...........57
4.1.6 聲功率量測結果……………...…….................58
4.1.7 聲場模擬與實測比對…………….……...........59
4.1.7.1 聲場模擬結果…...................................60
4.1.7.2 聲場實際量測之結果…………............67
4.2 討論……………………….……………………..........69
4.2.1 混波器討論……………………………….........69
4.2.2 阻抗匹配器討論……………………….............69
4.2.3 以影像處理方式量化討論…………..………...69
4.2.4 空穴效應之探討論……………………….........70
4.2.5 頻譜與時域波形之探討論………….................71
4.2.6 水值量測討論………………………………….71
4.2.7聲功率量測討論…………………………..........72
4.2.8 聲場模擬與聲場實際量測之討論…….…........72
第五章 結論與未來發展…………………………………..…........73
5.1結論…………………………………...………..……..73
5.2未來發展……………………………………………..74
參考文獻……………………………………………………….........76
參考文獻

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