题目：基于超声波频谱分析研究软物质凝胶的形成过程

软物质凝胶作为一种热点材料已广泛应用于人们生活中的各个方面。尤其是明胶凝胶和丙烯酰胺凝胶作为软物质凝胶的典型代表有着广阔的应用前景。软物质凝胶形成过程的机理一直为研究者们所关注，研究者已经做了大量的理论研究和实验研究，怎样用一种无损的方法对凝胶成胶过程进行在线动态跟踪检测呢？超声检测法具有操作简单，不损伤待测对象，可以洞察材料内部结构等优点，与光学检测法相比，超声检测法能够穿透不透明的混合物，能更好地解决高浓度溶液的测量和在线检测难题。超声波频谱分析法从频域角度提取了超声波波形中包含的材料内部新的丰富的结构信息，这些信息在时域没有明显差异。本文利用超声反射法在线检测了明胶凝胶化和丙烯酰胺溶液形成凝胶的过程，利用超声波频谱分析法对实验数据进行处理，反演了明胶凝胶和丙烯酰胺凝胶形成过程中溶液内部的微结构变化和分子构象的变化。本文所做的工作和得到的结论如下：
(1) 用超声波反射法检测了戊二醛交联明胶凝胶化过程，分别检测了明胶溶液浓度不同，交联剂体积不同，检测探头频率不同，明胶溶液pH值不同时明胶凝胶化过程中超声回波信号频谱主频幅值和中心频率的偏移量随时间的变化。明胶溶液中加入温敏材料NIPAM体积不同时频谱主频幅值和中心频率随温度的变化。通过实验得到以下结论：在同一明胶溶液凝胶化过程中，以及不同溶液配比明胶凝胶化过程中，改变明胶溶液的浓度，交联剂的量，声速都基本不变。明胶溶液的浓度越大，交联剂戊二醛的量越大，明胶凝胶化所用时间越短，超声波信号频谱主频幅值越小，频谱中心频率的偏移量越大，超声波信号的衰减程度越大，明胶溶液的浓度和交联剂的用量是明胶凝胶化过程中的重要因素，影响了明胶凝胶的质量和性能。检测探头频率对明胶凝胶化过程有影响，中心频率1.25 MHz 的探头对明胶凝胶化过程不敏感，5.0MHz探头衰减程度较大，2.5 MHz检测效果较好。明胶凝胶化过程中，明胶溶液的pH值对凝胶化过程也有影响。明胶溶液的pH值较大时，超声回波信号频谱主频幅值较大，频谱主频偏移量较小，明胶溶液内部分子呈开放线团构象。明胶溶液pH较小时，超声回波信号频谱主频幅值较小，频谱主频偏移量较大，溶液内部分子呈压缩线团构象。当明胶溶液中加入NIPAM溶液形成明胶后，检测明胶凝胶随温度变化可以得到，加入NIPAM溶液的体积越大，凝胶的温敏性相变越强，且这种相变是一种渐进的过程，而随着温度的变化纯明胶凝胶是没有相变性质的。

(2) 超声波频谱分析法检测了丙烯酰胺单体在引发剂过硫酸铵溶液和交联剂戊二醛作用下形成凝胶的过程，分别检测了丙烯酰胺溶液浓度不同，戊二醛体积不同，检测探头频率不同时丙烯酰胺凝胶的形成过程。通过实验可以得到：在丙烯酰胺形成凝胶的过程中，丙烯酰胺溶液的浓度越大，交联剂戊二醛的量越大，超声检测探头的中心频率越大，超声回波信号频谱主频幅值越小，凝胶化过程中的主频幅值变化幅度越大，超声回波信号频谱中心频率的偏移量越大，超声波衰减程度越大。

关键词：明胶凝胶, 丙烯酰胺凝胶, 中心频率, 偏移量, 功率谱