超聲空化現(xiàn)象影響因素的實(shí)驗(yàn)研究

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(jī)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(diǎn)，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(jià)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]。空化泛指液體中氣泡(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(qiáng)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(qiáng)的聲波進(jìn)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(shí)測表明，液體的實(shí)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。現(xiàn)在，這一假說已被許多實(shí)驗(yàn)所證實(shí)[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?xiàng)l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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度的劇烈程度，測量空化噪聲標(biāo)定空化的強(qiáng)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，水浴容器能夠保證實(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)，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(shí)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(diǎn))，利用Matlab軟件將圖片二值化，進(jìn)而對薄膜空蝕程度量化。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Experimental device diagram

2 實(shí)驗(yàn)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(jī)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(jìn)行空化方面的相關(guān)研究。本實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度。將采集的聲信號進(jìn)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(shí)驗(yàn)是在開放的環(huán)境中進(jìn)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(jìn)行液位與空化后續(xù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象影響很小，因此可以忽略排水系統(tǒng)對實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(kuò)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)速度與入射波質(zhì)點(diǎn)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(qiáng)于位置2～位置6對應(yīng)液位高度下空化程度，這是因?yàn)槌暡ㄔ诿劫|(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(qiáng)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(qiáng)。而當(dāng)液位降到15 mm之后，空化噪聲異常強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度。本實(shí)驗(yàn)利用Matlab軟件將圖4(a)所選區(qū)域二值化(如圖4(b)所示)，進(jìn)而計(jì)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(qiáng)(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(diǎn)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。空化氣泡受到聲輻射壓力和聲流力的共同作用從負(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(qiáng)度必定大于遠(yuǎn)離換能器的空化區(qū)的空化強(qiáng)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(jìn)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(qiáng)弱，本論文利用這一信號特征，從實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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(shí)驗(yàn)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(jìn)一步研究提供了方向和依據(jù)。