Ukrainian Journal of Physical Optics


2022, Volume 23, Issue 1


ISSN 1816-2002 (Online), ISSN 1609-1833 (Print)

A new possible model of sonoluminescence

M.B. Kravchenko

Department of Cryogenic Engineering, Odesa National Technological University, 112 Kanatna Street, 65039 Odesa, Ukraine

ABSTRACT

We suggest a new theoretical model for the effect of sonoluminescence (SL). According to this model, conditions for a total internal reflection of light can be formed inside a collapsing gas bubble. Due to this, 33multiple reflections of visible light and infrared radiation occur at the inner surface of the bubble. After each reflection from the walls of the bubble, a slight decrease in the wavelength of thermal radiation takes place. We show on a specific example that only a few nanoseconds are enough to reduce notably the wavelength of thermal radiation inside the bubble. This model enables explaining the main features of the SL: a blackbody-like radiation spectrum with an extremely high temperature, a role of noble gases in increasing the SL intensity, and influence of water temperature on the SL intensity.

Keywords: sonoluminescence, luminescence, spectra, refractive index, noble gases
UDC: 535.3

    1. Marinesco М and Trillal Y Y, 1933. Acton des ultrasons sur les plaques photographiques. C. R. Acad. Sci. Paris. 196: 858-860.
    2. Frenzel H and Schultes I, 1934. Luminescenz im ultraschallbeschickten Wasser. Z. Phys. Chem. B. 27: 21-424. doi:10.1515/zpch-1934-2737
    3. Paounoff P, 1939. La luminescence de 1'eau sous 1'action des ultrasons. CR Hebd Séance Acad Sci. 209: 33.
    4. Gaitan D F and Crum L A, Frontiers of nonlinear acoustics. 12th ISNA. London: Elsevier Appl. Sci., 1990.
    5. Gaitan D F, Grum L A, Church C C and Roy R A, 1992. Sonoluminescence and bubble dynamic for a single, stable cavitation bubble. J. Acoust. Soc. Amer. 91: 3166-3183. doi:10.1121/1.402855
    6. Hiller R, Putterman S J and Barber B P, 1992. Spectrum of synchronous picosecond sonoluminescence. Phys. Rev. Lett. 69: 1182-1184. doi:10.1103/PhysRevLett.69.1182
    7. Putterman S J and Weninger K R, 2000. Sonoluminescence: how bubbles turn sound into light. Ann. Rev. Fluid Mech. 32: 445-476. doi:10.1146/annurev.fluid.32.1.445
    8. Hiller R, Weninger K, Putterman S J and Barber B P, 1994. Effect of noble gas doping in single-bubble sonoluminescence. Science. 5183: 248-250. doi:10.1126/science.266.5183.248
    9. Barber B P, Hiller R A, Lofstedt R, Putterman S J and Weninger K R, 1997. Defining the unknowns of sonoluminescence. Phys. Rep. 281: 65-143. doi:10.1016/S0370-1573(96)00050-6
    10. Flannigan D J and Suslick K S, 2005. Plasma formation and temperature measurement during single-bubble cavitation. Nature. 434: 52−55. doi:10.1038/nature03361
    11. Matula T J, Roy R A, Mourad P D, McNamara W B and Suslick K S, 1995. Comparison of multibubble and single-bubble sonoluminescence spectra. Phys. Rev. Lett. 75: 2602-2605. doi:10.1103/PhysRevLett.75.2602
    12. Didenko Y T and Gordeychuk T V, 2000. Multibubble sonoluminescence spectra in water which resemble single-bubble sonoluminescence. Phys. Rev. Lett. 84: 5640. doi:10.1103/PhysRevLett.84.5640
    13. Borisenok VA, 2015. Sonoluminescence: experiments and model (review). Acust. Zhurn. 61: 333-360. doi:10.1134/S1063771015030057
    14. Margulis M A, 2000. Sonoluminescence. Soviet Phys.: Uspekhi. 43: 259-282. doi:10.1070/PU2000v043n03ABEH000455
    15. Young J B, Nelson J A and Kang W, 2001. Line emission in single-bubble sonoluminescence. Phys. Rev. Lett. 86: 2673-2676. doi:10.1103/PhysRevLett.86.2673
    16. Suslick K S and Flannigan D J, 2008. Inside a collapsing bubble: Sonoluminescence and the conditions during cavitation. Ann. Rev. Phys. Chem. 59: 659-683. doi:10.1146/annurev.physchem.59.032607.093739
    17. McNamara W B, Didenko Y T and Suslick K S, 2003. Pressure during sonoluminescence. J. Phys. Chem. B. 107: 7303-7306. doi:10.1021/jp034236b
    18. Kuhns D, Brodsky A and Burgess L, 1998. Hydrodynamical perturbation effects in multibubble sonoluminescence. Phys. Rev. E. 57: 1702-1704. doi:10.1103/PhysRevE.57.1702
    19. Noltingk B E and Neppiras E A, 1950. Cavitation produced by ultrasonics. Proc. Phys. Soc. B. (London). 63B: 674-685. doi:10.1088/0370-1301/63/9/305
    20. Neppiras E A and Noltingk B E, 1951. Cavitation produced by ultrasonics: theoretical conditions for the onset of cavitation. Proc. Phys. Soc. B. (London.) 64B: 1032-1038. doi:10.1088/0370-1301/64/12/302
    21. Lykov A V. Theory of thermal conductivity. Moscow: Vysshaya Shkola, 1967.
    22. Handbook of physical and technical fundamentals of cryogenics. Ed. by Malkov M P. Moscow: Energoatomizdat, 1985.
    23. Moss W C, Clarke D B, White J W and Young D A, 1994. Hydrodynamic simulations of bubble collapse and picosecond sonoluminescence. Phys. Fluids. 6: 29792985. doi:10.1063/1.868124
    24. Weninger K, Putterman S J and Barber B P, 1996. Angular correlations in sonoluminescence: Diagnostic for the sphericity of a collapsing bubble. Phys. Rev. E. 54: R2205-R2208. doi:10.1103/PhysRevE.54.R2205
    25. Lepoint T, Pauw D D, Lepoint-Mullie F, Goldman M and Goldman A, 1997. Sonoluminescence: an alternative electrohydrodynamic hypothesis. J. Acoust. Soc. Amer. 101: 2012-2030. doi:10.1121/1.418242
    26. Prosperetti A J, 1997. New mechanism for sonoluminescence J. Acoust. Soc. Amer. 101: 2003-2007. doi:10.1121/1.418133
    27. Li J, Liu L, Tang J, Li G, Ma H, Gu Y, Liu S, Weng J and Chen Q F, 2018. Refractive index measurement of compressed nitrogen using an infrared frequency-domain interferometer. Optik. 164: 1-4. doi:10.1016/j.ijleo.2018.02.056
    28. Thormählen I, Straub J and Grigull U, 1985. Refractive index of water and its dependence on wavelength, temperature, and density. J. Phys. Chem. Ref. Data. 14: 933-945. doi:10.1063/1.555743
    29. Wanstall C T, Agrawal A K and Bittle J A, 2019. Implications of real-gas behavior on refractive index calculations for optical diagnostics of fuel-air mixing at high pressures. Comb. Flame. 214: 47-56. doi:10.1016/j.combustflame.2019.12.023
    30. Flannigan D J, Hopkins S D, Camara C G, Putterman S J and Suslick K S, 2006. Measurement of pressure and density inside a single sonoluminescing bubble. Phys. Rev. Lett. 96: 204301. doi:10.1103/PhysRevLett.96.204301
    31. Sonoluminescence. Movie from UCLA Putterman group. URL: https://www.youtube.com/watch?v=rhiaFa9kaH4
    32. Feynman R P, Leighton R B and Sands M. The Feynman lectures on physics. Vol. 1. Massachusetts: Addison-Wesley, 1977.
    33. Sivukhin D V. A course of general physics. Vol. 4. Optics. Moscow: Fizmatlit, 2002.
    34. Young F R. Sonoluminescence. Boca Raton, Florida: CRC Press LLC, 2000.
    35. Flannigan D J and Suslick K S, 2010. Inertially confined plasma in an imploding bubble. Nature Phys. 6: 598−601. doi:10.1038/nphys1701
    Запропоновано нову теоретичну модель для ефекту сонолюмінесценції (СЛ). Відповідно до цієї моделі, всередині газової бульбашки, яка колапсує, можуть сформуватися умови для повного внутрішнього відбивання світла. Завдяки цьому на внутрішній поверхні бульбашки мають місце багатократні відбивання видимого світла та інфрачервоного випромінювання. Після кожного відбивання від стінок бульбашки відбувається незначне зменшення довжини хвилі теплового випромінювання. На конкретному прикладі продемонстровано, що лише кількох наносекунд достатньо, аби довжина хвилі теплового випромінювання всередині бульбашки істотно зменшилася. Наша модель дає змогу пояснити основні особливості СЛ: спектр випромінювання, який відповідає спектрові абсолютно чорного тіла з надзвичайно високою температурою, роль благородних газів у зростанні яскравості СЛ, а також вплив температури води на яскравість СЛ.

    Ключові слова: сонолюмінесценція, люмінесценція, спектри, показник заломлення, благородні гази.
Free download this article

© Ukrainian Journal of Physical Optics ©