초음파 가진 주파수에 따른 마이크로 기포의 진동 모드 반응에 대한 실험적 연구 An Experimental Study on Vibration Mode Response of Micro Bubble according to Frequency of Ultrasonic Excitation원문보기
마이크로 기포는 수면으로 매우 느리게 상승하며 수중에서 상승 압력에 의해 축소되고 이후 붕괴 시 초고압, 초고온을 형성하며 높은 에너지를 발산한다. 붕괴 시 발산되는 에너지의 특성으로 인해 현재 의학, 공학, 약학, MEMS 등에서 연구가 진행 되고 있고 다양한 산업에서 마이크로 기포의 특성이 활용되고 있다. 더 나아가 마이크로 기포에 초음파를 가진 했을 때 나타나는 물리, 화학적 특성과 효과에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있으며 마이크로 기포를 이용한 초음파 기술 산업은 매년 성장하고 있다. 이러한 산업 성장으로 인해 초음파와 마이크로 기포의 상관관계에 대한 연구에도 관심이 집중되고 있다. 지금까지 초음파가 가진된 마이크로 기포에 대한 연구가 지속적으로 진행되고 있지만 반경방향으로 진동하는 마이크로 기포의 이론 및 실험 연구가 많이 이루어진 반면 주파수에 따라 개별 기포의 형상이 변화되는 연구에서 광범위한 ...
마이크로 기포는 수면으로 매우 느리게 상승하며 수중에서 상승 압력에 의해 축소되고 이후 붕괴 시 초고압, 초고온을 형성하며 높은 에너지를 발산한다. 붕괴 시 발산되는 에너지의 특성으로 인해 현재 의학, 공학, 약학, MEMS 등에서 연구가 진행 되고 있고 다양한 산업에서 마이크로 기포의 특성이 활용되고 있다. 더 나아가 마이크로 기포에 초음파를 가진 했을 때 나타나는 물리, 화학적 특성과 효과에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있으며 마이크로 기포를 이용한 초음파 기술 산업은 매년 성장하고 있다. 이러한 산업 성장으로 인해 초음파와 마이크로 기포의 상관관계에 대한 연구에도 관심이 집중되고 있다. 지금까지 초음파가 가진된 마이크로 기포에 대한 연구가 지속적으로 진행되고 있지만 반경방향으로 진동하는 마이크로 기포의 이론 및 실험 연구가 많이 이루어진 반면 주파수에 따라 개별 기포의 형상이 변화되는 연구에서 광범위한 주파수대로 가진된 마이크로 기포의 거동실험 및 가시화는 미미하다. 본 연구의 목적은 실험을 통해 초음파가 가진된 마이크로 기포의 초기진동과 다양한 주파수대에서 나타나는 마이크로 기포의 거동을 가시화 하고 기포 반지름과 주파수, 모드 수의 상호 관계를 정량화한 결과와 기존의 이론 모델과 비교 분석하는 것이다. 또한 초음파가 가진된 채널에 부착한 상태로 거동하는 기포와 채널 내를 이동하며 거동하는 기포의 차이점을 실험을 통해 가시화하고 분석하였다. 이러한 결과들로부터 다양한 반지름 및 주파수의 기포 거동에 대한 실험 맵을 구하여 최종적으로 이론식과 비교 해보았다. 실험 결과 초음파가 가진된 초기 기포는 기포의 반경방향으로 진동함을 보였고 그 이후 해당 주파수에 따른 모드 수의 형태로 진동하였다. 마이크로 기포가 각 모드의 형태로 진동 할 때 기포의 반지름이 공진 주파수에 해당하는 반지름에 가까울수록 더욱 명확한 모드 진동을 보였다. 또한 모드 수가 일정할 때 주파수가 증가할수록 각 모드 반응하는 기포의 반지름이 작아지고 가진 주파수가 동일 할 때 기포의 반지름이 증가할수록 진동하는 모드 수가 증가하는 것을 확인하였다. 실험의 결과로 반지름에 따른 공진 주파수와 모드 수의 반응 맵을 작성하여 이론과 비교한 결과 Lamb 방정식과 낮은 주파수와 모드 수 에서는 잘 맞았지만 고주파수 대로 갈수록 이론과 차이를 보였다. 이러한 결과들로 인해 기존의 이론식에서 증명한 공진 주파수, 반지름, 모드 수의 상관관계를 확인할 수 있었다.
마이크로 기포는 수면으로 매우 느리게 상승하며 수중에서 상승 압력에 의해 축소되고 이후 붕괴 시 초고압, 초고온을 형성하며 높은 에너지를 발산한다. 붕괴 시 발산되는 에너지의 특성으로 인해 현재 의학, 공학, 약학, MEMS 등에서 연구가 진행 되고 있고 다양한 산업에서 마이크로 기포의 특성이 활용되고 있다. 더 나아가 마이크로 기포에 초음파를 가진 했을 때 나타나는 물리, 화학적 특성과 효과에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있으며 마이크로 기포를 이용한 초음파 기술 산업은 매년 성장하고 있다. 이러한 산업 성장으로 인해 초음파와 마이크로 기포의 상관관계에 대한 연구에도 관심이 집중되고 있다. 지금까지 초음파가 가진된 마이크로 기포에 대한 연구가 지속적으로 진행되고 있지만 반경방향으로 진동하는 마이크로 기포의 이론 및 실험 연구가 많이 이루어진 반면 주파수에 따라 개별 기포의 형상이 변화되는 연구에서 광범위한 주파수대로 가진된 마이크로 기포의 거동실험 및 가시화는 미미하다. 본 연구의 목적은 실험을 통해 초음파가 가진된 마이크로 기포의 초기진동과 다양한 주파수대에서 나타나는 마이크로 기포의 거동을 가시화 하고 기포 반지름과 주파수, 모드 수의 상호 관계를 정량화한 결과와 기존의 이론 모델과 비교 분석하는 것이다. 또한 초음파가 가진된 채널에 부착한 상태로 거동하는 기포와 채널 내를 이동하며 거동하는 기포의 차이점을 실험을 통해 가시화하고 분석하였다. 이러한 결과들로부터 다양한 반지름 및 주파수의 기포 거동에 대한 실험 맵을 구하여 최종적으로 이론식과 비교 해보았다. 실험 결과 초음파가 가진된 초기 기포는 기포의 반경방향으로 진동함을 보였고 그 이후 해당 주파수에 따른 모드 수의 형태로 진동하였다. 마이크로 기포가 각 모드의 형태로 진동 할 때 기포의 반지름이 공진 주파수에 해당하는 반지름에 가까울수록 더욱 명확한 모드 진동을 보였다. 또한 모드 수가 일정할 때 주파수가 증가할수록 각 모드 반응하는 기포의 반지름이 작아지고 가진 주파수가 동일 할 때 기포의 반지름이 증가할수록 진동하는 모드 수가 증가하는 것을 확인하였다. 실험의 결과로 반지름에 따른 공진 주파수와 모드 수의 반응 맵을 작성하여 이론과 비교한 결과 Lamb 방정식과 낮은 주파수와 모드 수 에서는 잘 맞았지만 고주파수 대로 갈수록 이론과 차이를 보였다. 이러한 결과들로 인해 기존의 이론식에서 증명한 공진 주파수, 반지름, 모드 수의 상관관계를 확인할 수 있었다.
Micro bubble dynamics is a valuable field of science with many possibilities. Moreover, the micro bubble under ultrasonic technology continues to be a growing industry every year. The purpose of the present study is to investigate the spherical micro bubble dynamics in various excitation fields. The...
Micro bubble dynamics is a valuable field of science with many possibilities. Moreover, the micro bubble under ultrasonic technology continues to be a growing industry every year. The purpose of the present study is to investigate the spherical micro bubble dynamics in various excitation fields. The effect of ultrasonic excitation on micro bubble behavior has been experimentally investigated in a micro-channel flow. The micro-channel is formed on a transparent acrylic plate which is covered by a slide glass. A syringe pump is used to put a working fluid into the micro-channel. In order to make micro bubbly flows, air is also injected into the channel through a micro needle which is made of glass capillaries. A piezoelectric device which is placed on the top of the channel gives rise to ultrasonic excitations. Then, the response of micro bubble is visualized using a microscopy and a high-speed CCD camera. The results show that the volumetric response of the bubble at initial oscillation when the bubble is excited. At this initial oscillation, the oscillation mode number is 1, that is, the motion of bubble has a cycle of expansion and contraction. After the initial bubble oscillation, the bubble has a unique shape oscillation according to the excitation frequency and bubble radius. When the bubble radius is closer to the corresponding radius at resonance frequency, the mode oscillation occurs more clearly. The mode number increases with the bubbles radius at a given excitation frequency. For the same radius of bubble, the mode number also increases with the excitation frequency.
Micro bubble dynamics is a valuable field of science with many possibilities. Moreover, the micro bubble under ultrasonic technology continues to be a growing industry every year. The purpose of the present study is to investigate the spherical micro bubble dynamics in various excitation fields. The effect of ultrasonic excitation on micro bubble behavior has been experimentally investigated in a micro-channel flow. The micro-channel is formed on a transparent acrylic plate which is covered by a slide glass. A syringe pump is used to put a working fluid into the micro-channel. In order to make micro bubbly flows, air is also injected into the channel through a micro needle which is made of glass capillaries. A piezoelectric device which is placed on the top of the channel gives rise to ultrasonic excitations. Then, the response of micro bubble is visualized using a microscopy and a high-speed CCD camera. The results show that the volumetric response of the bubble at initial oscillation when the bubble is excited. At this initial oscillation, the oscillation mode number is 1, that is, the motion of bubble has a cycle of expansion and contraction. After the initial bubble oscillation, the bubble has a unique shape oscillation according to the excitation frequency and bubble radius. When the bubble radius is closer to the corresponding radius at resonance frequency, the mode oscillation occurs more clearly. The mode number increases with the bubbles radius at a given excitation frequency. For the same radius of bubble, the mode number also increases with the excitation frequency.
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