聲化學(xué)能量測量儀的研究

孔亞廣 徐 濤

(杭州電子科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，杭州 310018)

在當(dāng)今超聲波聲化學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域，因?yàn)槔碚撗芯亢蛯?shí)際應(yīng)用的需要，人們一直在研究超聲能量(以下簡稱聲強(qiáng))的測量方法。在聲化學(xué)中，聲強(qiáng)值和聲場分布對(duì)研究超聲波對(duì)反應(yīng)釜中物體的空化作用具有非常重要的價(jià)值。

目前測量聲強(qiáng)比較常用的方法是水聽器法[1]，采用的傳感器是水聽器。水聽器是一種相對(duì)靈敏的傳感器，它可將聲場中某點(diǎn)處的瞬時(shí)聲壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再將此信號(hào)送到外圍電路進(jìn)行處理并通過CPU計(jì)算出聲強(qiáng)值。另外一種方法是壓差法[2]，其測量原理是：通過U型壓差計(jì)測出聲輻射壓強(qiáng)，再結(jié)合聲速進(jìn)行換算得到聲強(qiáng)值。壓差法測量裝置由超聲波發(fā)生器、換能器、三維定位儀和U型微差計(jì)組成。目前，聲強(qiáng)測量的主要難題是沒有合適的傳感器能準(zhǔn)確測量質(zhì)點(diǎn)振速[3，4]。

筆者利用壓電傳感器將超聲輻射各個(gè)場點(diǎn)的聲波所產(chǎn)生的瞬時(shí)聲壓信號(hào)經(jīng)過壓電傳感器轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)[5]，再經(jīng)過二階高通濾波器濾波后進(jìn)入聲強(qiáng)測量儀，經(jīng)聲強(qiáng)測量儀進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后得到實(shí)時(shí)聲強(qiáng)值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案①

1.1 總體架構(gòu)描述

根據(jù)文獻(xiàn)[1，2]所述，在誤差精度要求不高的情況下用水聽器測量時(shí)，在平面波的作用下其聲壓平方與聲強(qiáng)值呈正比例關(guān)系，筆者基于壓電傳感器原理，將聲壓信號(hào)等比例轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，從而可得I=KU2，其中，K為標(biāo)定系數(shù)，與介質(zhì)密度、介質(zhì)中超聲傳播速度和傳感器特性相關(guān)；U為傳感器端的電壓值。為此，所設(shè)計(jì)的聲強(qiáng)測量儀接收從傳感器轉(zhuǎn)換而來的電壓信號(hào)，然后外接截止頻率10kHz的二階高通濾波器，依次經(jīng)過整流、放大、濾波，最后進(jìn)入A/D，由單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并實(shí)時(shí)顯示。

1.2 硬件架構(gòu)圖

如圖1所示，聲強(qiáng)測量儀采用的主控芯片為STC12C5628AD，自帶8位10路的A/D采樣，液晶采用12864(點(diǎn)陣顯示)；采樣芯片是LM358，經(jīng)

圖1 聲強(qiáng)測量儀硬件結(jié)構(gòu)

放大的信號(hào)再經(jīng)過二階濾波進(jìn)入單片機(jī)，外部9V電池經(jīng)過LM2596-5V降壓到5V給芯片供電，k1、k2是兩個(gè)外部中斷按鍵。

1.3 軟件工作流程

聲強(qiáng)測量儀軟件工作流程如圖2所示，對(duì)從A/D口采集的電壓信號(hào)進(jìn)行濾波處理后，利用聲強(qiáng)公式計(jì)算實(shí)時(shí)聲強(qiáng)值。設(shè)定定時(shí)器0中斷優(yōu)先級(jí)最高，通過外部中斷按鍵k1、k2進(jìn)行參數(shù)K的標(biāo)定。可通過串口將實(shí)時(shí)聲強(qiáng)值傳遞給上位機(jī)，并接收上位機(jī)傳來的對(duì)標(biāo)定參數(shù)K的設(shè)定。

2 硬件電路

2.1 供電

如圖3所示，本聲強(qiáng)測量儀采用外部的9V電池供電，然后經(jīng)LM2596-5V的電源芯片將9V電壓轉(zhuǎn)換成5V給STC12C5628AD和運(yùn)放LM358供電。電路中并聯(lián)多個(gè)值為0.1μF電容是為了濾除干擾信號(hào)，尤其是高頻干擾[6]。

2.2 電池電量檢測

如圖4所示，A端口是電池正極輸入，P1^1連接單片機(jī)A/D口。采用兩個(gè)10kΩ電阻進(jìn)行分壓以保證單片機(jī)引腳輸入電壓最大不超過5.5V，然后將電池電量采用圖形格式顯示在12864液晶屏右上方。

圖2 聲強(qiáng)測量儀軟件工作流程

圖3 9V轉(zhuǎn)5V電路

圖4 電池電量檢測電路

2.3 外部信號(hào)的整流放大

如圖5所示，LM358是雙運(yùn)放，筆者只用其中一個(gè)運(yùn)放，但是另外一個(gè)運(yùn)放不懸空[7]。P3是壓電傳感器的輸入端，經(jīng)過二極管整流，然后經(jīng)過LM358運(yùn)放放大。查看芯片手冊(cè)可知，LM358可單電源供電范圍是(3，30)V，輸出電壓擺幅是(0，Vcc-1.5)V，單位增益頻帶寬接近1MHz，筆者所研發(fā)的聲強(qiáng)測量儀檢測的頻率范圍是15～100kHz，所以選擇該運(yùn)放在理論上符合要求。

圖5 外部信號(hào)的整流放大電路

2.4 串口通信

聲強(qiáng)測量儀通過PL2303芯片組成的串口電路與上位機(jī)進(jìn)行通信(圖6)[8]，可將實(shí)時(shí)聲強(qiáng)值發(fā)送到上位機(jī)，并接收上位機(jī)對(duì)系數(shù)K的設(shè)定。

圖6 USB轉(zhuǎn)串口電路

3 實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)一，準(zhǔn)備一臺(tái)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，用聲強(qiáng)測量儀分別測試在20、28、40、60kHz頻率下，峰值分別為1.4、1.6、1.8、2.0、2.2、2.4、3.0、3.2V時(shí)的聲強(qiáng)值，結(jié)果如圖7所示。

從圖7可知，在函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)下，在同一頻率下，輸入信號(hào)強(qiáng)度與聲強(qiáng)值呈線性關(guān)系。不同頻率，相同的信號(hào)幅值，聲強(qiáng)值不同，這說明聲強(qiáng)值不僅與信號(hào)幅值相關(guān)，還與信號(hào)頻率相關(guān)。

實(shí)驗(yàn)二，準(zhǔn)備一臺(tái)超聲波發(fā)生器，柱形九節(jié)鞭式大功率超聲換能器，功率表和一個(gè)直徑30cm、高度1.2m、厚度0.5cm的超聲消音制作的水桶。 將塑料桶里裝滿去氣的蒸餾水，啟動(dòng)超聲發(fā)生器驅(qū)動(dòng)大功率超聲換能器工作。理論上在超聲換能器對(duì)稱的兩個(gè)位置處的聲強(qiáng)值是基本相同的，本實(shí)驗(yàn)采用參數(shù)一致的壓電傳感器分別插在大功率換能器的水下對(duì)稱位置，用兩臺(tái)配置相同的聲強(qiáng)測量儀分別測試兩點(diǎn)的聲強(qiáng)，并記錄不同超聲功率下的聲強(qiáng)值，結(jié)果如圖8所示。設(shè)備1、設(shè)備2代表兩臺(tái)配置相同的聲強(qiáng)測量儀。

圖7 不同峰值下的聲強(qiáng)值

圖8 不同功率下的聲強(qiáng)值

從圖8可知，筆者所設(shè)計(jì)的聲強(qiáng)測量系統(tǒng)測量的聲強(qiáng)值與超聲發(fā)生器的輸出功率呈正比例關(guān)系，且對(duì)稱兩點(diǎn)處的聲強(qiáng)值也基本一致，與理論相符。

實(shí)驗(yàn)三，在實(shí)驗(yàn)二條件的基礎(chǔ)上，超聲波發(fā)生器的功率輸出分別為500、600W，將壓電傳感器固定在水桶中的一點(diǎn)，測量一段時(shí)間內(nèi)該點(diǎn)處的聲強(qiáng)。通過安捷倫示波器對(duì)壓電傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行采樣，并進(jìn)行頻譜分析。將頻譜幅值與文中所示的聲強(qiáng)測量儀的測量結(jié)果進(jìn)行比較分析，不同功率下的頻譜圖如圖9所示。

圖9 不同功率下的頻譜圖

由圖9可知，在500W功率下，得到的3組聲強(qiáng)平均值分別為0.204、0.233、0.232W/cm2，平均聲強(qiáng)值為0.223W/cm2。對(duì)圖8采用最小二乘法可得到優(yōu)化后的標(biāo)定系數(shù)值。經(jīng)標(biāo)定后，得到采用聲強(qiáng)測量儀測得的聲強(qiáng)值是0.219W/cm2，誤差是0.9%。在600W功率下，得到的3組聲強(qiáng)平均值分別為0.360、0.370、0.359W/cm2，平均聲強(qiáng)值為0.363W/cm2。采用同樣的標(biāo)定系數(shù)，使用筆者所研制的聲強(qiáng)測量儀測量得到的聲強(qiáng)值是0.365 W/cm2，誤差為0.6%。

分析導(dǎo)致上述誤差的主要原因如下：換能器本身的非線性使得其傳遞到聲場中的聲功率并不是隨著輸入電功率的增加而線性增加的，當(dāng)輸入功率達(dá)到一定程度時(shí)，換能器可能已經(jīng)達(dá)到飽和狀態(tài)了；由于負(fù)載水溫的升高會(huì)對(duì)傳感器精度造成影響，影響精度；由于超聲電源輸出功率也存在一定的精度，對(duì)結(jié)果也有一定的影響，此外水桶表面的回波對(duì)聲強(qiáng)場也會(huì)產(chǎn)生干擾。

綜上所述，在上述條件下測試兩個(gè)特定功率(500、600W)下的聲強(qiáng)值與理論計(jì)算的聲強(qiáng)值進(jìn)行對(duì)比，誤差在容許范圍內(nèi)。并且該設(shè)備測試方法簡單，符合工程實(shí)際應(yīng)用。

4 結(jié)束語

筆者基于壓電傳感器，研究開發(fā)了一款超聲聲強(qiáng)測量儀表，頻率范圍可達(dá)到15～100kHz，相比其他聲強(qiáng)測量設(shè)備，擴(kuò)大了頻率范圍，并且該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、易于使用，適用于測量超聲清洗機(jī)的清洗效果。但由于筆者是采用單壓電傳感器進(jìn)行聲強(qiáng)測量，沒有對(duì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度進(jìn)行直接檢測，因此其測量精度相對(duì)偏低，今后應(yīng)研究在雙壓電傳感器或壓電傳感器與振動(dòng)速度傳感器相結(jié)合的聲強(qiáng)測量方法，以提高檢測精度。

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