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高强声场特性及其测量方法

高健  
【摘要】: 自从空化现象出现以后,就受到了广泛的关注。对超声空化效应的应用也越来越普遍,比如:超声清洗、超声乳化、超声治疗以及利用超声加速化学反应或提高化学产量等,这些应用主要是利用了空化时产生的高温、高压和微射流的冲击作用等。对空化现象的研究起始于十九世纪末,并吸引了大批优秀的声学专家投入这方面的研究。但由于超声空化理论研究和空化声场的复杂性导致目前对空化机理方面的研究落后于实际应用,使得实际工业生产上缺乏理论上的指导和规范。大功率空化声场(高强声场)是由外加超声场的稳态信号与“稳态空化”以及“瞬态空化”时产生的非稳态信号叠加而形成的复杂声场。基于此,对大功率空化声场的特性及其测量方法的研究具有极其重要的实际意义。 本文从理论、实验和信号处理三个方面对高强声场的特性及其测量方法进行了研究,主要工作和相关结论如下: (1)综合比较了多种声场测量的方法,对实用性、真实性和有效性进行综合考虑后得出利用压电型水听器对声场进行测量是较为理想的选择。 (2)对棒形超声换能器在不同输入电功率条件下产生的高强声场进行了频谱分析,得到了一些有用的规律。随着输入电功率的增加,基波的幅度逐渐增大,增大到一个极值后开始减小,但在此之后又出现了一下增加和下降的趋势;二分之一次谐波的幅度逐渐增大,增大到一定值后开始出现下降现象;二分之一次谐波、高次谐波、谐波可以被明显的看到,说明在这七种功率输入条件下,棒形超声换能器工作时都出现了明显的空化现象;谐波和高次谐波在达到一定值后就没有出现了或者看起来不明显了,这是由于连续背景信号幅值达到或超过了谐波和高次谐波,使它们淹没在背景信号中;随着输入电功率的增加,连续谱的包络有着上升的趋势;输入电功率从900瓦增大到1000瓦时,基波、分谐波、二次谐波、三次谐波和第一次高次谐波都出现下降现象。从以上功率谱图的特点可以看出:随着超声波功率的增加,液体中的空化并不是一直增加的而是会出现一个极大值。 (3)对棒形超声换能器在不同输入电功率条件下产生的高强声场信号进行了倒谱分析。得到了一些在频率谱图中无法观察到的规律:存在一些与基波频率有着一定关系的线谱。这些线谱可能为以后分析空化声场的特性提供一些有用的信息。 (4)基于工程应用的角度,提出一种利用压电型水听器测量声场所获得的有效电压的平方作为评价声场强度的方法。通过与铝箔腐蚀法获得声场分布进行比较后发现,两者之间有着较好的一致性。 (5)利用水听器对不同条件下的高强声场进行了测量,得出:声场强度并不是随着输入电功率和液体温度的增加而一直增加的,而是存在一个最佳值。并对产生这种现象的原因作了可能的解释。 (6)利用小波变换将声场的声压信号进行了谱分解,对不同频带范围内的声压信号以及基频信号进行了对比分析:包含基频的d4层能量在整个频率范围内占主要成分;高强超声场的信号受75Hz频率的调制。此外,定义了描述空化强弱的空化系数K,并将其与通过理论计算所得的空泡振动最大声压进行比较后发现两者有着较好的一致性。


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