超声频率和液位对空化场的影响

超声频率和液位对空化场的影响
刘丽艳;刘芃宏;杨洋;谭蔚
【摘要】空化效应是超声在化学反应过程中发挥作用的主要原因，采用谱分析法
衡量空化场强弱，引入标准差评价空化场的均匀程度，在标称频率20,kHz 和
40,kHz 的清洗槽内，研究了超声频率和槽内液位对空化场的影响效果．结果表明：超声波换能器使用中存在频率漂移现象，利用水听器、示波器结合 MATLAB 软件测量计算实际工作频率分别为23.93,kHz 和42.72,kHz；低频时空化场的平均强
度高，但高频时空化场的均匀性更好；清洗槽内存在谐振液位(30,mm、45,mm、60,mm、75,mm)，在这些液位处空化强度和均匀性均较好．%Cavitation plays an essential role in sonochemical reaction process.The spectrum analysis methodwas adopted to measure the cavitation intensity and the standard deviationwas introduced to evaluate the uniformity of the cavitation field.The effects of ultrasonic frequency and liquid level on the cavitation field were studied in this paper in the ultrasonic cleaning tank with nominal frequencies of 20,kHz and 40,kHz.The results show that the frequency drift occurs when the ultrasonic transducers work.To analyze the frequency drift phenomenon,this paper puts forward a method to measure the actual frequency at work using the hydrophone,oscilloscope and MATLAB.The actual fre-quencies were measured to be 23.93 kHz and
42.72,kHz.Results indicate that the average intensity of cavitation is higher at low frequency,but the uniformity of cavitation distribution is better at high frequency.There are some reso-nance liquid levels at which the
cavitation intensity and uniformity are both satisfactory such as at
30,mm,45,mm, 60,mm and 75,mm.
【期刊名称】《天津大学学报》
【年(卷),期】2016(049)008
【总页数】7页(P802-808)
【关键词】超声空化;频率漂移;谐振液位;空化强度;均匀性
【作者】刘丽艳;刘芃宏;杨洋;谭蔚
【作者单位】天津大学化工学院，天津 300072;天津大学化工学院，天津 300072;天津大学化工学院，天津 300072;天津大学化工学院，天津 300072
【正文语种】中文
【中图分类】TB551;O644.3
超声波在声化学反应器中的应用越来越广泛，它有助于提高化学反应产率，缩短反应时间，提高反应的选择性，甚至能够激发无超声存在时不能发生的化学反应［1-2］.相关研究表明，声化学应用的主动力是超声空化现象，此过程中产生的微小局部瞬时高温高压、自由基、冲击波、微射流等空化效应，为化学反应提供了极端条件［3］.因此，超声辅助强化可以代替许多苛刻且危险的强酸、强碱、高温高压等条件，在化工领域具有很高的应用前景［4-6］.但是，由于超声空化场具有极端复杂性和随机时空变异性，声化学反应器的应用受到极大制约.超声场中能量分布和空化强度测量就成为改善声化学反应器性能，更好地利用声化学反应器，亟待解决的首要问题［7］.
相关研究建议用因空化腐蚀而损失的金属薄膜重量表示空化强度［8］，但是实际
应用中，由于金属薄膜轧制工艺导致薄厚不均和空化腐蚀时产生连带脱落带来的实验误差非常大.相关学者使用图像面积比表示空化强度［9］，但仍没有完全解决这一问题.也有研究采用水听器和谱分析相结合的方法进行超声空化场的表征［10］.本文针对换能器使用过程中的频率漂移问题，提出了确定实际频率的MATLAB寻值的新方法并进行测量.借鉴水听器测量、谱分析和MATLAB相结合的方法进行超声波清洗器中空化场的定量描述，提出利用不同位置处测量结果的标准差作为衡量空化场分布的均匀程度的指标，研究了不同频率、槽内液位对超声空化场强度分布的影响规律，为声化学反应器的设计提供理论指导.
1.1 实验仪器
本实验采用超声波清洗器（江苏昆山超声仪器有限公司）进行实验研究，具体设备参数如表1所示.采用陶瓷压电式水听器（丹麦RESON公司）测量声场的压力信号，其主要参数如表2所示.
1.2 实验方法
实验装置如图1所示，换能器通过逆压电效应将电能转化为机械振动，水听器将
介质中的声信号通过压电转换成为电信号，触发数字示波器，数字示波器采集波形数据并输出，用MATLAB编程实现数据的频谱分析.首先读取波形数据，做时域图，用加窗平均周期图法进行时域和频域转换，求取功率谱，其中基波对应声波能量，连续谱对应瞬态空化能量.
谐波和分谐波对应稳态空化及非线性效应的能量，提取谱级后，进行中值滤波拟合，再积分后得到分离后的各部分能量值.将各测量点的能量分离结果进行三维插值，
可以得到超声场中能量的三维分布，并用非线性能量来表征空化强度［10-11］. 2.1 频率测量流程
由于振动系统的温度、刚度、负载特性等因素变化，使得系统的固有频率发生漂移，振动系统的工作能力下降［12］.声化学反应器中换能器的谐振频率受到反应器中
的物料盛装量、工作发热、与超声发生器的耦合、与反应器的耦合等因素影响会发生频率漂移现象［13］，导致声化学反应器标称频率与实际频率不一致.许多学者
研究了超声波换能器谐振频率的跟踪方法［14］，但是实际应用中仍然无法避免
频率漂移现象的发生，而具体的频率值对超声空化强度影响显著.针对这一问题，
本文提出采用MATLAB自动寻值的新方法用于测量超声实际工作频率.
水听器采集超声清洗槽中的声压信号，以csv波形数据形式存储在数字示波器中，利用MATLAB软件编程进行空化噪声谱拟合，将时域信号转化为频谱分布图进行分析，最终得到空化产生的辐射信号.图2为实际频率测量流程.
2.2 实际频率测量结果
本实验超声波清洗器可以提供20，kHz和40，kHz两个标称频率.
运用第2.1节频率测量流程，测得实验结果如图3所示.将自动寻值后的实际频率
结果与标称频率进行对比，如表3所示.
从表3中的结果可以看出，该装置存在比较明显的频率漂移现象.究其原因是超声
波清洗器中盛装液体介质导致系统整体阻抗变化和换能器工作过程中发热现象.标
称频率 20，kHz，而实测频率为23.93，kHz，相对误差为 19.65%，如果进行频率对超声空化强度影响的量化研究过程中不考虑频率漂移会使研究结果出现较大误差.
2.3 频率对空化场的影响
在功率为60，W、液位为80，mm条件下分别测量23.93，kHz和 42.72，kHz 时自来水中的超声场三维分布情况，并对非线性能量部分进行三维重建，结果如图4所示.声波传递到液面形成的反射波会与原声波叠加，使质点能量增强或减弱，
形成强弱相间的驻波.在图4中表现出来的是非线性空化能量强弱交替分布.
为了更好地进行比较，取两种频率下相同位置处的截面进行对比.
对比图5（a）和图5（b）可以看出，空化较强的区域在槽中呈带状分布.图5（a）
中轴线方向上只有两个空化带，图5（b）中由于频率增加，介质中波速不变，波
长减小，在相同的液位高度范围内波节和波腹的数量增多，空化带的个数也随之增多，并且能量分布更倾向于向清洗槽中央轴线集中.图5（a）中非线性能量在离底部 10～20，mm处比较强且集中，远离槽底部分能量逐渐衰减并沿径向扩散，图5（b）中声能在沿着轴线方向传播的过程中不断衰减，反射波的能量也不断衰减，两者叠加后在距底面分别为15，mm和30，mm的第2、第3条空化带处达到
能量较高值.
图6是两种频率下 x=70，mm截面处的空化能量分布，可以看出从x方向的截面与y方向的截面上看，能量集中处距底面位置是一致的.但是无法直接从分布图中
比较强度大小和分布的均匀情况.因此，为进一步比较两种频率下的空化情况，分
别计算出能量的平均值，结果列于表4.从中可以看出高频声场中基波能量占主要
部分，低频声场非线性能量（空化能量）［10］占主导，所以低频声场空化强度
更高.
标准差是总体中各点与其平均数离差平方和平均后的方根，它能反映一个数据集的离散程度，是一组数据分散程度的一种度量.标准差的计算方法为
式中：xi为各点测量值；μ 为平均值.标准差数值越小代表均匀性越好.
为定量比较两种情况下空化分布的均匀程度，分别求两种频率下各测量点空化能量的标准差，如表4所示.通过比较可以发现，高频条件下空化场分布更均匀，这主
要是由于低频时波长更长，在相同液位下形成的驻波波腹个数少于高频条件下的个数，从而使得其能量分布不如高频条件下均匀，在实际应用时综合考虑强度和均匀性，根据使用目的选择合适的使用频率.
由于超声场中的驻波是液面处的反射波与入射波叠加造成的，所以超声清洗槽内液位的高度对于其中空化场的分布影响显著.频率 23.93，kHz时，空化强度较高，
进一步实验测量了功率为 60，W、频率23.93，kHz时不同液位条件下槽内的空
化场分布情况，图7和图8分别为4种液位条件下y=60，mm和x=70，mm截面处的空化能量分布.
从图7和图8中可以看出，不同液位时的非线性能量分布大不相同，35，mm和65，mm时空化强度较弱，45，mm和75，mm时则较强.
图9和图10分别为液位对槽中所有位置处能量平均强度和均匀性的影响情况.在图9和图10中：lg,En表示非线性能量对数值；lg,Etotal表示总能量对数值；
lg,Ebasic表示基波能量对数值.可以看出，在液位较低时，槽中各部分能量均较弱，这主要是由于在液位较低时（见图7（a）），较低的液面处空化强度更容易使得
整体平均强度偏低.随着液位增大，声场能量也逐渐增大，达到30，mm时增幅变缓，波动开始变得明显.整体趋势的峰值液位大约在 30，mm、45，mm、60，mm及75，mm处，相隔15，mm（约半个波长）为谐振液位.结合图8也可以
看出，谐振液位45，mm及75，mm空化确实较强，非谐振液位35，mm及65，mm处则较弱.由图10可以看到，在液位达到30，mm之后，标准差的分布也是呈波动趋势的.其中标准差较低的波谷位置与图9的波峰位置较为吻合，说明
在谐振液位处，声场的强度和均匀性均较好.在槽中进行清洗或声化学反应时，根
据清洗要求将反应物料控制在谐振液位.
本文基于水听器谱分析方法和MATLAB软件，对超声空化场进行定量测量，研究了频率和谐振液位对于超声空化场强度和均匀性的影响规律.
（1）提出了一种基于MATLAB自动寻值测量实际工作频率的方法，可用于测量
超声反应器的实际工作频率.标称频率20，kHz和40，kHz的清洗槽内，测量结
果分别为23.93，kHz和42.72，kHz.
（2）以标准差为评价指标，研究发现相同条件下，23.93，kHz时空化强度更高，但由于驻波的存在，均匀性较差；42.72，kHz时空化强度较低，但均匀性更好. （3）研究槽内液位对于超声空化强度的影响时发现液位对于空化强度和分布情况
影响很大，在谐振液位（30，mm、45，mm、60，mm、75，mm）处，空化强度和均匀性均较好.
本文研究结果可用于指导超声清洗和声化学反应器的设计及运行.
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