馬立康 暨勇策 沈國清 張世平

(華北電力大學(xué)能源動力與機械工程學(xué)院 北京 102206)

0 引言

超聲場及其相關(guān)效應(yīng)的研究一直是國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點，其中超聲空化是超聲在液體媒質(zhì)中傳播產(chǎn)生的一種效應(yīng)，由于其巨大的理論研究價值和應(yīng)用潛力，越來越受到關(guān)注[1-4]，甚至已經(jīng)發(fā)展到雙頻超聲場領(lǐng)域[5-6]?？栈褐敢后w中氣泡(bubbles)或空穴(cavity)的形成及活動。聲波的傳播會導(dǎo)致媒質(zhì)內(nèi)部物質(zhì)振動，形成密度、壓力起伏。一般而言，聲空化的成因是液體中的壓強降低到一定程度(區(qū)別于因溫度上升的沸騰)，具體表現(xiàn)為氣泡的急劇脹縮，同時伴有噪聲輻射，某些時候還可能伴隨電磁輻射。理論上，足夠強的聲波進入液體后，在聲波稀疏、負(fù)壓相拉伸作用下使得液體內(nèi)部分子鍵鏈斷裂，形成空腔；空腔在表面張力的作用下形成氣泡[7]。而實測表明，液體的實際空化閾值遠(yuǎn)低于理論值。為解釋這種矛盾，便產(chǎn)生了“空化核”假說?，F(xiàn)在，這一假說已被許多實驗所證實[8]。聲空化能夠在局部的時間空間范圍內(nèi)產(chǎn)生高溫、高壓、沖擊波等非常極端的物理條件，并由此引發(fā)許多有著廣泛用途的效應(yīng)。已有研究表明，超聲波強化傳熱主要基于超聲波在液體內(nèi)部及固液界面上產(chǎn)生的聲空化效應(yīng)和聲流效應(yīng)[9-10]，另外，超聲在化工[11]、生物[12]、醫(yī)藥衛(wèi)生[13]以及去污除垢[14]等方面的應(yīng)用也與超聲空化密不可分。

空化噪聲是指空化泡脹縮及破裂整個過程中所輻射的聲波。超聲空化會產(chǎn)生包括諧波、分諧波及連續(xù)噪聲在內(nèi)的空化噪聲譜，通過對空化噪聲的分析可以在一定程度上判斷聲空化強度[15]。相比于通過高速攝影觀察空化氣泡的大小和多少來判斷空化強度的劇烈程度，測量空化噪聲標(biāo)定空化的強烈程度更加簡單易行。

測量分析超聲空化分布的方法主要有金屬箔膜空蝕法、熒光光譜分析法、碘釋放法、聲致發(fā)光成像法、染色法等[16]。其中金屬箔膜空蝕法由于其方便、可視化和低成本等特點獲得廣泛應(yīng)用。本文基于聲波疊加過程分析了超聲空化現(xiàn)象隨液位和超聲功率變化而變化的現(xiàn)象。

1 實驗裝置

實驗設(shè)備主要包括34 cm×20 cm×30 cm的透明水浴容器、溫度和聲信號采集系統(tǒng)和超聲發(fā)生系統(tǒng)。本實驗采用北京聲望聲電技術(shù)有限公司BSWAMPA201型聲學(xué)傳感器在液體外部測得噪聲信號，該型聲學(xué)傳感器可采集頻率范圍為0～22 kHz。傳感器位于超聲波換能器正上方30 cm位置。采用頻率為28 kHz壓電式倒喇叭型換能器，所用信號源為深圳廣源達(dá)超聲設(shè)備有限公司生產(chǎn)的GYD-M1型超聲波發(fā)生器。實驗裝置如圖1所示，水浴容器能夠保證實驗所需的溫度并保持穩(wěn)定；利用溫度和聲信號采集卡將采集到的聲信號輸入到計算機，能夠?qū)崟r地獲取精準(zhǔn)數(shù)據(jù)；通過垂直插入水中的長寬為18 cm×5 cm的錫箔紙實現(xiàn)薄膜空蝕法，然后在空蝕區(qū)域選取長寬為4 cm×2 cm的面積(所選區(qū)域能夠包含該層所有空蝕點)，利用Matlab軟件將圖片二值化，進而對薄膜空蝕程度量化。

圖1 實驗裝置圖Fig.1 Experimental device diagram

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 噪聲信號特性

空化現(xiàn)象往往伴隨空化噪聲的出現(xiàn)而出現(xiàn)?？栈肼曨l譜是一個從低頻到高頻的連續(xù)譜，連續(xù)譜是由空化泡隨機崩潰產(chǎn)生的激波所引起的。在頻譜圖中，空泡的非線性振動會產(chǎn)生基波整數(shù)倍(2f0、3f0、4f0、···、nf0)的諧波線譜和奇數(shù)倍(f0/2、3f0/2、5f0/2、···)的分諧波線譜[17]。胡淑芳等[17]、吳鵬飛等[18]曾利用諧波和倍頻波進行空化方面的相關(guān)研究。本實驗利用次諧波噪聲信號(14 kHz)的有無和大小來反映空化現(xiàn)象的有無和空化強度。將采集的聲信號進行頻譜分析，(14000±500)Hz頻率范圍的噪聲信號能夠準(zhǔn)確反映空化現(xiàn)象的發(fā)生(如圖2(a)和圖2(b)所示)，并且在一定程度上能夠反映空化程度的劇烈程度(如圖2(b)和圖2(c)所示)。實驗是在開放的環(huán)境中進行，在頻譜圖中，100～800 Hz頻率范圍的聲信號與(14000±500)Hz頻率范圍的次諧波聲信號表現(xiàn)出相同量級的較高的能量幅值，但低頻噪聲對次諧波聲信號影響不大。因此，在進行液位與空化后續(xù)相關(guān)實驗時選取8 kHz～20 kHz頻率范圍(能夠包含次諧波)的噪聲聲信號進行采集和分析。

圖2 不同液位高度下的噪聲信號Fig.2 Cavitation noise at different liquid level heights

2.2 液位對空化現(xiàn)象的影響

實驗前將液位調(diào)到25 cm位置，維持水溫在(20±0.5)°C，打開超聲波發(fā)生器，使超聲穩(wěn)定發(fā)生。排水系統(tǒng)可以保證容器內(nèi)液體緩慢流出，對實驗現(xiàn)象影響很小，因此可以忽略排水系統(tǒng)對實驗的影響。圖3是聲壓傳感器采集到的空化噪聲信號隨液位變化圖，如圖3所示，在液位從25 cm降到1 cm過程中，由超聲空化產(chǎn)生的聲信號隨液位間隔出現(xiàn)。

圖3 空化噪聲隨液位變化關(guān)系Fig.3 Cavitation noise changes with liquid height

大振幅(有空化)聲波可以看作小振幅線性聲波和非線性聲波的疊加，垂直粘連在箱體底部的超聲振子產(chǎn)生的超聲在液面處經(jīng)反射與初始波干涉。在振子正上方的小塊區(qū)域，聲波可以近似看作平面波，兩列沿相反方向行進的平面波可以分別表示為[19]

根據(jù)線性聲波可疊加原理，合成聲場的聲壓為

由于聲波在媒質(zhì)中傳播存在吸收衰減、散射衰減和擴散衰減等聲能量的損失[20]，以及聲波在液面處發(fā)生非全反射，使得pia?=pra。鑒于功率超聲應(yīng)用中聲場邊界條件多為絕對“硬”或絕對“軟”界面，而液體和空氣分界面屬于絕對“軟”界面，可近似認(rèn)為聲波在界面發(fā)生所謂全反射。取pra=-pia，則超聲波會在液面與實驗箱體底部之間形成“純粹”的駐波場。

聲波從液體射入空氣介質(zhì)時，在軟介質(zhì)面上，反射波質(zhì)點速度與入射波質(zhì)點速度相位相同，反射波的聲壓與入射波的聲壓相位改變180°。當(dāng)液位高度時，液體內(nèi)部產(chǎn)生駐波場；當(dāng)液位的高度時，駐波場隨之消失，因此空化噪聲將伴隨著液位高度的變化而間隔出現(xiàn)。

另從圖3還可以看出，位置1對應(yīng)液位高度下空化程度強于位置2～位置6對應(yīng)液位高度下空化程度，這是因為超聲波在媒質(zhì)中傳播存在衰減使聲能量產(chǎn)生損失[21]，當(dāng)液位增加時，遠(yuǎn)離超聲換能器區(qū)域聲壓強度明顯降低，從而削弱空化程度；并且隨著液位增加，空化泡釋放能量和潰滅功率均顯著減小[22]，也使得低液位狀態(tài)下的空化程度較強。而當(dāng)液位降到15 mm之后，空化噪聲異常強烈(圖3位置0所示)，這可能與薄液空化及柱狀泡群[23]有關(guān)。

2.3 功率對空化現(xiàn)象的影響

聲空化包含多種效應(yīng)，其中就包含空蝕效應(yīng)。超聲空化氣泡在潰滅的瞬間會產(chǎn)生強烈的沖擊力[22]，對垂直放入水中的薄膜有明顯的空蝕。將一張整潔的長寬為18 cm×5 cm的錫箔垂直置于水中，然后開啟超聲波一段時間(均為1 min)，金屬薄膜就會出現(xiàn)明顯的空蝕現(xiàn)象(如圖4(a)所示)，薄膜的空蝕程度能夠反映空化的強度。本實驗利用Matlab軟件將圖4(a)所選區(qū)域二值化(如圖4(b)所示)，進而計算和分析薄膜的穿透度。

圖4 發(fā)生空蝕的薄膜及其二值化Fig.4 Corroded film and its binarization

當(dāng)超聲功率較大時，薄膜空蝕程度會在距離振子最近的空蝕區(qū)域表現(xiàn)為最強(如圖5所示)，而其他空蝕區(qū)域明顯變?nèi)?，這是由空化屏蔽現(xiàn)象導(dǎo)致的[24]。當(dāng)液體中某一點的壓力小于空化閾值時，空化氣泡產(chǎn)生。因此當(dāng)功率增大時壓力幅值隨之增大，在駐波場的負(fù)壓區(qū)便產(chǎn)生大量的氣泡?？栈瘹馀菔艿铰曒椛鋲毫吐暳髁Φ墓餐饔脧呢?fù)壓區(qū)移動到正壓區(qū)，然后在正壓區(qū)潰滅并使薄膜發(fā)生空蝕。由于聲波在傳播過程中入射到氣泡上時，氣泡會對聲波產(chǎn)生折射、透射和反射現(xiàn)象，在氣泡與聲波的接觸面上聲波所攜帶的能量被轉(zhuǎn)化消耗[25]，在駐波場中靠近換能器的空化區(qū)的空化強度必定大于遠(yuǎn)離換能器的空化區(qū)的空化強度，從而導(dǎo)致空蝕嚴(yán)重不均。當(dāng)超聲功率較小時，超聲空蝕的程度在各個區(qū)域分布均勻(如圖6所示)。

圖5 大功率時，不同液位下超聲空蝕程度Fig.5 Ultrasonic corrosion degree at different liquid heights at high power

圖6 小功率時，不同液位下超聲空蝕程度Fig.6 Ultrasonic corrosion degree at different liquid heights at low power

3 結(jié)論

本文利用聲壓傳感器對空化噪聲信號進行液外采集，探究了駐波場和空化現(xiàn)象之間的關(guān)系，揭示了空化液體深度優(yōu)選值的存在，得出以下結(jié)論：

(1)空化噪聲是空化現(xiàn)象發(fā)生時一個重要的信號特征，它能夠準(zhǔn)確地反映空化現(xiàn)象的發(fā)生與否，并且一定程度上能夠表征超聲空化的強弱，本論文利用這一信號特征，從實驗現(xiàn)象和理論分析兩方面揭示了超聲場中駐波場的存在。

(2)空化氣泡潰滅瞬間能夠在局部產(chǎn)生較強的沖擊力，造成薄膜發(fā)生空蝕，利用Matlab軟件將圖片二值化，進而對薄膜空蝕程度量化，能夠反映空蝕區(qū)域的空化程度。

(3)超聲空化的強度與輸入的功率有關(guān)。當(dāng)超聲功率較大時會產(chǎn)生空化屏蔽現(xiàn)象，阻礙聲能量的傳播，使得第二層及以后各層空化現(xiàn)象減弱；超聲功率較小時，各空化區(qū)域強度相對均勻。

本文對超聲空化在超聲清洗方面的應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。同時，實驗發(fā)現(xiàn)厚液空化與薄液空化之間可能存在臨界液位，為該領(lǐng)域的進一步研究提供了方向和依據(jù)。