劉麗艷，聞精精，楊 洋，譚 蔚

(天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072)

基于MATLAB的超聲空化場(chǎng)表征與三維可視化

劉麗艷，聞精精，楊 洋，譚 蔚

(天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072)

超聲空化場(chǎng)強(qiáng)度逐點(diǎn)掃描的測(cè)量方法耗時(shí)耗力，不利于其應(yīng)用，鋁箔腐蝕法廉價(jià)易得，操作簡(jiǎn)單，對(duì)空化場(chǎng)影響小，但定量性差．以鋁箔腐蝕法測(cè)定超聲清洗槽中的空化強(qiáng)度，鋁箔樣品干燥后經(jīng)掃描儀采集黑白圖像，導(dǎo)入MATLAB軟件圖像處理系統(tǒng)，編寫(xiě)程序提取腐蝕點(diǎn)位置，統(tǒng)計(jì)腐蝕區(qū)域占整體區(qū)域的面積比，以腐蝕面積比大小衡量超聲空化強(qiáng)弱程度實(shí)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果的量化．構(gòu)造三維腐蝕面積比數(shù)據(jù)集，以不同顏色代表不同腐蝕強(qiáng)度將數(shù)據(jù)繪制于三維坐標(biāo)系內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)超聲空化場(chǎng)可視化，任意平面內(nèi)空化場(chǎng)強(qiáng)度分布圖可通過(guò)切片技術(shù)獲得．將超聲空化場(chǎng)表征結(jié)果進(jìn)行切片分析，得到單換能器空化場(chǎng)分布規(guī)律的同時(shí)驗(yàn)證表征方法的可靠性，為超聲強(qiáng)化過(guò)程機(jī)理研究奠定分析基礎(chǔ)．

超聲空化場(chǎng)；鋁箔腐蝕法；三維可視化；MATLAB

超聲是頻率大于20,kHz的聲波，能夠在液體介質(zhì)中產(chǎn)生巨大的能量進(jìn)而使質(zhì)點(diǎn)獲得較高的加速度，功率超聲已經(jīng)廣泛應(yīng)用于超聲清洗、有機(jī)合成、污水處理、醫(yī)學(xué)治療等不同領(lǐng)域[1-4]．在過(guò)去幾十年中，許多學(xué)者對(duì)超聲能量的有效利用問(wèn)題進(jìn)行了大量研究，結(jié)果表明超聲通過(guò)空化效應(yīng)來(lái)促進(jìn)各種物理及化學(xué)變化[5-6]．典型的空化過(guò)程是指介質(zhì)中空化泡形成、生長(zhǎng)，最后潰陷并產(chǎn)生自由基、沖擊波等一系列的物理化學(xué)變化過(guò)程[7]．有研究表明空化泡在潰陷時(shí)最高溫度可以達(dá)到數(shù)千度，壓力可以達(dá)到數(shù)百個(gè)大氣壓[6]，這樣的極端條件為超聲反應(yīng)器中的化學(xué)反應(yīng)提供了獨(dú)特的環(huán)境，從而促進(jìn)了化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)率的提高，并使得許多常規(guī)條件下無(wú)法實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)得以完成．超聲反應(yīng)器中的空化場(chǎng)分布極其復(fù)雜，聲波在傳播過(guò)程中會(huì)被器壁及界面反射，形成的空化泡會(huì)分散并吸收聲能，高功率會(huì)導(dǎo)致液體升溫，所以超聲槽中聲場(chǎng)及空化場(chǎng)的性質(zhì)強(qiáng)烈依賴(lài)于時(shí)間，且反應(yīng)器中聲壓的分布也不均勻，導(dǎo)致了反應(yīng)器中形成高效區(qū)(高壓強(qiáng)高空化活性)和低效區(qū)(低壓強(qiáng)低空化活性)[1]．盡管存在這些技術(shù)困難，發(fā)展特定過(guò)程中的空化場(chǎng)強(qiáng)度的有效量化方法吸引了大量學(xué)者的注意[8-10]．通過(guò)對(duì)空化場(chǎng)的測(cè)量分析，可得到反應(yīng)器內(nèi)高效區(qū)域分布信息，從而指導(dǎo)反應(yīng)容器區(qū)域設(shè)置，或者合理安排換能器陣列提高能量利用率，超聲空化場(chǎng)的表征已經(jīng)成為評(píng)價(jià)超聲設(shè)備性能的重要手段．近幾年報(bào)道的超聲空化場(chǎng)測(cè)量方法有熱電偶探頭法、聲致發(fā)光成像法、水聽(tīng)器法、鋁箔腐蝕法和碘釋放法等，每種方法的適用性、定量性、設(shè)備成本、操作難易程度等均不同．從定量角度看，水聽(tīng)器法最好，但它的設(shè)備成本很高，且為了得到立體空間空化場(chǎng)的分布，通常需要采用針形水聽(tīng)器對(duì)空化場(chǎng)進(jìn)行逐點(diǎn)測(cè)量，這一過(guò)程耗時(shí)且昂貴，不利于工業(yè)規(guī)模應(yīng)用[11]．聲致發(fā)光成像法可以直觀地看出空化場(chǎng)分布情況，但該法穩(wěn)定性差，且測(cè)量過(guò)程中需要向體系中加入外加試劑，改變?nèi)芤盒再|(zhì)參數(shù)，使其適用范圍大大減小，這也是許多其他需外加試劑的方法存在的問(wèn)題．而鋁箔腐蝕法廉價(jià)易得，操作簡(jiǎn)單，對(duì)空化場(chǎng)整體分布影響最小，空化分布結(jié)果可永久保存，但定量性差是鋁箔腐蝕法最大的缺點(diǎn)[1,8]．

基于此，本文選用鋁箔腐蝕法對(duì)超聲空化場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量表征，采用MATLAB軟件強(qiáng)大的圖像處理和輔助分析功能處理腐蝕后的鋁箔圖樣，提取腐蝕區(qū)域的位置信息，計(jì)算腐蝕面積占整個(gè)區(qū)域的比例作為空化強(qiáng)弱程度的代表，實(shí)現(xiàn)超聲空化場(chǎng)的定量表征，并編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)整個(gè)立體空間超聲空化場(chǎng)強(qiáng)度分布的可視化.

1 實(shí)驗(yàn)儀器與方法

1.1 儀 器

本實(shí)驗(yàn)采用超聲清洗器(昆山超聲儀器有限公司，KQ-100KDB)進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn)研究，其功率為100,W，頻率為40,kHz，清洗槽內(nèi)部的長(zhǎng)、寬、高分別為150,mm、140,mm、100,mm，換能器位于清洗槽底部中心．實(shí)驗(yàn)中采用去離子水為反應(yīng)媒質(zhì)，所有實(shí)驗(yàn)均保持液位在80,mm．

1.2 鋁箔腐蝕法

鋁箔質(zhì)地柔軟，置于超聲清洗機(jī)中時(shí)，在超聲波的空化效應(yīng)作用下，鋁箔會(huì)被腐蝕出許多小孔．將表面平整、厚度為20～30,μm的鋁箔放置在事先固定好形狀的框架上，水平置于超聲波清洗槽中，清洗槽中盛裝反應(yīng)媒質(zhì)，一定時(shí)間后關(guān)機(jī)取出鋁箔，對(duì)空化腐蝕后的鋁箔進(jìn)行分析，以空化腐蝕的面積比來(lái)評(píng)價(jià)超聲波的空化強(qiáng)度，腐蝕面積比越大空化強(qiáng)度越強(qiáng)；以空化腐蝕點(diǎn)分布的均勻度來(lái)衡量超聲波的分布情況. 為避免鋁箔整塊脫落造成較大誤差，本實(shí)驗(yàn)控制鋁箔腐蝕時(shí)間均為30,s，使鋁箔表面只產(chǎn)生凹坑變形而不穿孔．為保持實(shí)驗(yàn)條件一致，每次測(cè)試后均更換槽中液體，以避免超聲脫氣作用所造成的影響．

2 超聲空化場(chǎng)三維可視化實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

為得到實(shí)現(xiàn)超聲空化場(chǎng)可視化所用數(shù)據(jù)，需對(duì)腐蝕后的鋁箔圖樣進(jìn)行預(yù)處理．首先將實(shí)驗(yàn)后的鋁箔干燥，以掃描儀(惠普，M1522nf)對(duì)腐蝕圖樣進(jìn)行掃描取樣得到原始圖像，采用MATLAB軟件的imread函數(shù)讀取圖像，然后以imcrop函數(shù)截取有效評(píng)價(jià)區(qū)域，圖1中顯示的是距離清洗器底面40,mm處水平放置的鋁箔腐蝕后的圖像．最后根據(jù)閾值函數(shù)計(jì)算出的數(shù)值選取合適的閾值，對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以備后續(xù)調(diào)用．

圖1 距底面40,mm處水平放置的鋁箔腐蝕圖像Fig.1Aluminium foil erosion pattern at 40,mm height from the bottom

2.2 超聲空化場(chǎng)的二維分布

將鋁箔水平放置在超聲槽不同高度z處，即鋁箔垂直于超聲換能器的軸線放置．如圖2所示，在距離清洗槽底面10～70,mm范圍內(nèi)，每隔10,mm取一個(gè)測(cè)試平面，實(shí)驗(yàn)溫度25,℃、控制液位高度80,mm、超聲功率100,W、超聲輻射時(shí)間30,s的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可得到一系列腐蝕圖樣，圖1即為腐蝕圖樣之一．為了改善鋁箔腐蝕法定量性差的缺點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)中采用MATLAB軟件將預(yù)處理后的腐蝕圖像進(jìn)行了分塊處理，分別計(jì)算每一小塊內(nèi)腐蝕面積占整個(gè)面積的比例作為該區(qū)域的相對(duì)強(qiáng)度，采用不同顏色代表不同強(qiáng)度，以超聲槽左前方底面頂點(diǎn)為原點(diǎn)，建立如圖2(b)所示的坐標(biāo)體系，繪制同一平面內(nèi)不同坐標(biāo)處的強(qiáng)度數(shù)值即可得到量化的空化場(chǎng)二維分布圖，圖3為距離底面不同位置處空化場(chǎng)的二維分布結(jié)果．

圖2 鋁箔水平放置位置Fig.2 Level position of the aluminium foil

圖3 超聲空化場(chǎng)中水平方向切片空化強(qiáng)度分布Fig.3 Level distribution of cavitation intensity of the section in the ultrasonic cavitation field at different positions

2.3 超聲空化場(chǎng)的三維可視化

無(wú)論是提高聲化學(xué)反應(yīng)效率還是優(yōu)化超聲反應(yīng)器設(shè)計(jì)，都需要了解超聲反應(yīng)器內(nèi)不同位置處的空化場(chǎng)強(qiáng)度，本文在傳統(tǒng)鋁箔腐蝕法的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理，借助MATLAB軟件的圖像處理功能實(shí)現(xiàn)了超聲空化場(chǎng)的三維可視化，完整流程如圖4所示．鋁箔腐蝕實(shí)驗(yàn)的條件及測(cè)試位置與第2.2節(jié)中相同，預(yù)處理后將圖像進(jìn)行分塊處理并計(jì)算面積比，然后用cat函數(shù)將距離反應(yīng)器底部10～70,mm范圍內(nèi)等間隔的7組鋁箔腐蝕數(shù)據(jù)按其原始空間位置構(gòu)造成為三維體數(shù)據(jù)儲(chǔ)存于矩陣中，如圖5所示．對(duì)于兩測(cè)試平面之間的空白處，本文中采用線性插值的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)超聲空化場(chǎng)的可視化．最后，借助于MATLAB軟件中的slice函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)空間中任意方向任意平面空化強(qiáng)度的顯示，圖6中給出了x=75,mm、y=70,mm、z=35,mm這3個(gè)平面內(nèi)的空化強(qiáng)度．

圖4 超聲空化場(chǎng)三維可視化流程Fig.4 Procedure of three-dimension visualization of ultrasonic cavitation field

圖5 三維體數(shù)據(jù)的構(gòu)造Fig.5 Construction of volume data

圖6 三維可視化超聲空化場(chǎng)示意Fig.6Three-dimension visualization of ultrasonic cavitation field

3.4 空化場(chǎng)表征結(jié)果分析

在x=45,mm、65,mm、85,mm、105,mm這4個(gè)位置處(見(jiàn)圖7)做豎直切片，可得到如圖8所示的空化強(qiáng)度分布結(jié)果．從圖中可見(jiàn)，空化強(qiáng)弱趨勢(shì)交替出現(xiàn)，呈帶狀分布，這主要是由于聲波在水空氣界面處發(fā)生了反射，在槽內(nèi)形成了駐波造成的，圖中紅色區(qū)域?yàn)椴ǜ?，空化?qiáng)度較高，藍(lán)色區(qū)域?yàn)椴ü?jié)，空化強(qiáng)度較弱．由于駐波現(xiàn)象的存在，使得空化場(chǎng)的分布變得不均勻，對(duì)空化效應(yīng)的應(yīng)用造成不利影響．許多學(xué)者對(duì)駐波現(xiàn)象進(jìn)行報(bào)道，并研究消除駐波影響或減弱駐波效應(yīng)的方法[9,12-13]，目前已有掃頻式清洗機(jī)出現(xiàn)，可以避免駐波影響．

圖7 切片在空化場(chǎng)中的豎直位置示意Fig.7 Vertical position of the section in cavitation field

從圖8可見(jiàn)，超聲空化場(chǎng)中存在3條明顯的帶狀分布區(qū)域，經(jīng)測(cè)量，兩波腹間距離與聲波在水中傳播時(shí)的半波長(zhǎng)相等，進(jìn)一步證實(shí)了空化場(chǎng)的不均勻性是由于駐波造成的．從圖中還可以看到，越向上，圖像藍(lán)色區(qū)域面積越大，說(shuō)明空化強(qiáng)度由底向上逐漸減弱，這是由聲波能量在傳播過(guò)程中被媒體吸收造成的．同時(shí)由于換能器尺寸和個(gè)數(shù)的限制，靠近清洗槽中央位置的紅色區(qū)域面積要大于兩邊的面積，表明換能器附近處的空化強(qiáng)度最大．通過(guò)對(duì)空化場(chǎng)不同位置處強(qiáng)度切片圖的分析，可以對(duì)單換能器清洗槽中超聲空化場(chǎng)分布有一定的了解，同時(shí)分布結(jié)果與理論良好的吻合關(guān)系也證實(shí)了表征方法的可靠性．

圖8 空化場(chǎng)中豎直方向空化強(qiáng)度分布Fig.8 Vertical distribution of the cavitation field at different positions

3 結(jié)論與展望

本文選用簡(jiǎn)便快捷的鋁箔腐蝕法對(duì)超聲清洗器內(nèi)的空化強(qiáng)度分布進(jìn)行測(cè)量，以掃描的方式將腐蝕圖像采集入計(jì)算機(jī)，統(tǒng)計(jì)腐蝕區(qū)域占整個(gè)區(qū)域的面積比，實(shí)現(xiàn)了超聲空化場(chǎng)測(cè)量表征的量化．將鋁箔分塊，分別計(jì)算小區(qū)域內(nèi)的腐蝕面積比，并將數(shù)據(jù)按其原始空間位置繪制于三維坐標(biāo)系中，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)超聲空化場(chǎng)的三維可視化．通過(guò)對(duì)由切片技術(shù)所獲得的空化場(chǎng)信息進(jìn)行分析，證實(shí)了表征結(jié)果與聲學(xué)理論的一致性，即證實(shí)了表征結(jié)果的可靠性．但復(fù)雜的程序使得外專(zhuān)業(yè)的人無(wú)法熟練應(yīng)用這一技術(shù)，不利于其進(jìn)一步推廣應(yīng)用，因此后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中將采用MATLAB軟件中的圖形用戶(hù)界面(GUI)功能將程序進(jìn)行封裝，使用戶(hù)可以在輸入相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后便得到整個(gè)空化場(chǎng)的強(qiáng)度數(shù)據(jù)及分布信息．此外，本次實(shí)驗(yàn)僅對(duì)單換能器單發(fā)射頻率的超聲空化場(chǎng)進(jìn)行了分析研究，接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)將測(cè)量不同換能器位置、不同反應(yīng)器形狀及不同頻率組合對(duì)于超聲空化場(chǎng)的影響，設(shè)計(jì)并制造高性能的超聲化學(xué)反應(yīng)器．

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Measurement and Visualization of Ultrasonic Cavitation Field Based on MATLAB

Liu Liyan，Wen Jingjing，Yang Yang，Tan Wei
(School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

The common technique for determining spatial sound pressure fields is to scan the sound field pointwise， which is time-consuming and expensive and thus limits its application in the industry. Aluminum foil erosion method is cheap and easy to operate and has little effect on cavitation field，but it cannot be quantified. In this paper， aluminium foils were used to measure the distribution of the ultrasonic cavitation field in an ultrasonic cleaning vessel. Foil sample was dried，and black and white images were collected by the scanner image processing system and then imported into the MATLAB software. The MATLAB programs help to find out the position of the erosion point and calculate the ratio of the erosion area to the entire area. The erosion ratios can reflect the intensity of the cavitation， which means that the quantitative result has been achieved. Three-dimension erosion ratio data set was then built. The visualization of the cavitation field was realized by graphing the data in a spatial coordinate system using different colors to represent the variation of cavitation intensity. The distribution of the cavitation field on any planes can be derived by slicing the cavitation field. The result analysis shows that the spatial distribution regularity of the single transducer ultrasonic cavitation field can be derived and the reliability of the measure method can be verified in the mean time.

ultrasonic cavitation field；aluminium foil erosion method；three-dimension visualization；MATLAB

TB55；O644

A

0493-2137(2013)12-1133-06

DOI 10.11784/tdxb20131213

2012-04-11；

2012-06-23.

長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(IRT0936)．

劉麗艷（1977— ），女，博士，副教授，liuliyan@tju.edu.cn.

譚 蔚，wtan@tju.edu.cn.