液體表面張力是液體的重要性質(zhì)，在常溫體系中，用它可以確定表面活性并計(jì)算表面活性劑在溶液表面的吸附量。測(cè)定表面張力的方法很多，按測(cè)量原理可分為動(dòng)力學(xué)法和靜力學(xué)法，動(dòng)力學(xué)法是通過測(cè)量決定某一過程的數(shù)值來計(jì)算表面張力，而靜力學(xué)法則是通過測(cè)定某一狀態(tài)下的某些特定數(shù)值來計(jì)算表面張力。基于液滴在水平玻片上自然形成形狀計(jì)算表面張力的靜滴法是一種靜力學(xué)方法，傳統(tǒng)的靜滴法是根據(jù)物理學(xué)中的Laplace's equation(拉普拉斯方程)，通過液滴的輪廓和表面張力的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，但計(jì)算繁瑣，易出錯(cuò)且費(fèi)時(shí)。

奧地利科學(xué)家發(fā)現(xiàn)聲源與觀察者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，會(huì)使得觀察者聽到的聲音振動(dòng)頻率不同于聲源。當(dāng)聲源遠(yuǎn)離觀測(cè)者時(shí)，聲波波長增加，音調(diào)變得低沉，但聲源接近觀測(cè)者時(shí)，聲波的波長減小，音調(diào)變高，這種現(xiàn)象被稱為多普勒效應(yīng)，適應(yīng)于所有類型的波。本發(fā)明所采用的多普勒超聲儀，是基于超聲多普勒技術(shù)，利用超聲波穿透能力強(qiáng)，衍射程度小等物理特性，并結(jié)合多普勒效應(yīng)，將液滴自由振動(dòng)的周期性蘊(yùn)藏超聲多普勒頻移信號(hào)中。

基于液滴機(jī)械振動(dòng)的液體表面張力測(cè)試方法技術(shù)方案：

一種基于液滴機(jī)械振動(dòng)的液體表面張力測(cè)試方法，采用多普勒超聲探頭將自由液滴的表面毛細(xì)波振動(dòng)轉(zhuǎn)換為多普勒頻移信號(hào)，經(jīng)計(jì)算機(jī)信號(hào)處理模塊收集并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，具體包括以下步驟：

(1)在多普勒超聲儀的超聲探頭上放置疏水基片，通過微量注射器產(chǎn)生液滴于疏水基片上；

(2)通過具有自動(dòng)回彈功能的振動(dòng)觸發(fā)裝置使液滴發(fā)生振動(dòng)，振動(dòng)觸發(fā)裝置回彈后，液滴發(fā)生自由振動(dòng)；

(3)超聲探頭將液滴的自由振動(dòng)轉(zhuǎn)換為多普勒頻移信號(hào)并加以放大；

(4)計(jì)算機(jī)信號(hào)處理模塊對(duì)多普勒頻移信號(hào)采集得到液滴自由振動(dòng)特征圖，傅里葉變換后得到振動(dòng)頻率特征圖，分析振動(dòng)頻率特征圖并讀取二倍頻峰頻率；

(5)重復(fù)步驟(1)至(4)，測(cè)定不同質(zhì)量液滴的二倍頻峰頻率，之后以液滴質(zhì)量的倒數(shù)為橫坐標(biāo)，以二倍頻峰頻率的平方為縱坐標(biāo)作圖擬合直線，求出直線斜率，然后進(jìn)一步得到液滴表面張力。

所述振動(dòng)觸發(fā)裝置帶有具有自動(dòng)回彈功能的尖端，設(shè)于疏水基片的上部。

所述振動(dòng)觸發(fā)裝置的尖端為聚四氟乙烯材質(zhì)。

所述疏水基片與超聲探頭之間通過凝膠層耦合。

所述微量注射器產(chǎn)生液滴的質(zhì)量為5-20mg。

步驟(4)中計(jì)算機(jī)信號(hào)處理模塊包括用于數(shù)據(jù)采集的Audition軟件以及用于數(shù)據(jù)處理的origin軟件。

步驟(5)計(jì)算液滴表面張力所依據(jù)的公式為：

其中，fn為液滴表面波的振動(dòng)頻率，從振動(dòng)頻率特征圖中獲得，n為液滴的振動(dòng)模式，m為液滴的質(zhì)量，γLV為液滴表面張力。

本文所使用的方法是基于Lamb公式和Noblin提出的關(guān)于表面毛細(xì)波的色散性和質(zhì)量之間的關(guān)系，通過一系列計(jì)算得到液滴表面張力。當(dāng)液滴放置在與它不潤濕的基片上并發(fā)生自由振動(dòng)時(shí)，若其表面波的波長較小，則表面張力起主導(dǎo)作用。

多普勒超聲儀是由超聲發(fā)射器發(fā)出連續(xù)超聲，當(dāng)遇到自由振動(dòng)的液滴，反射回來的超聲已是改變了頻率的連續(xù)超聲，它被反射超聲接收器接受并轉(zhuǎn)為電信號(hào)，此信號(hào)與儀器的高頻振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)混頻以后，經(jīng)高頻放大器放大，然后解調(diào)出差頻信號(hào)。多普勒超聲儀的超聲探頭采用非聚焦連續(xù)波多普勒原理，超聲探頭由與疏水基片耦合的超聲換能器及電路部分組成，它將液滴的特征自由振動(dòng)通過多普勒頻移原理轉(zhuǎn)化為特征頻移信號(hào)并加以放大。

采用多普勒超聲儀的探頭，提供了穩(wěn)定的表面波信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)，減少空間尺寸，基于簡單計(jì)算公式對(duì)振動(dòng)頻率進(jìn)行分析并計(jì)算表面張力，設(shè)備造價(jià)低，儀器性價(jià)比高；操作簡便、省時(shí)，能快速取得準(zhǔn)確可靠的結(jié)果；測(cè)量范圍廣；試劑用量少，原則上只需要幾十微升液體即可；可以進(jìn)行連續(xù)的表面張力測(cè)定；具有觸發(fā)振動(dòng)作用的聚四氟乙烯尖端對(duì)形成的表面施加的影響較小，表面張力的測(cè)量精度主要取決于頻率的測(cè)量精度。