超聲空化現象影響因素的實驗研究

馬立康 暨勇策 沈國清 張世平

(華北電力大學能源動力與機械工程學院 北京 102206)

0 引言

超聲場及其相關效應的研究一直是國內外學者的研究熱點，其中超聲空化是超聲在液體媒質中傳播產生的一種效應，由于其巨大的理論研究價值和應用潛力，越來越受到關注[1-4]，甚至已經發展到雙頻超聲場領域[5-6]。空化泛指液體中氣泡(bubbles)或空穴(cavity)的形成及活動。聲波的傳播會導致媒質內部物質振動，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(區別于因溫度上升的沸騰)，具體表現為氣泡的急劇脹縮，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、負壓相拉伸作用下使得液體內部分子鍵鏈斷裂，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低于理論值。為解釋這種矛盾，便產生了“空化核”假說。現在，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產生高溫、高壓、沖擊波等非常極端的物理條件，并由此引發許多有著廣泛用途的效應。已有研究表明，超聲波強化傳熱主要基于超聲波在液體內部及固液界面上產生的聲空化效應和聲流效應[9-10]，另外，超聲在化工[11]、生物[12]、醫藥衛生[13]以及去污除垢[14]等方面的應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。超聲空化會產生包括諧波、分諧波及連續噪聲在內的空化噪聲譜，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用。本文基于聲波疊加過程分析了超聲空化現象隨液位和超聲功率變化而變化的現象。

1 實驗裝置

實驗設備主要包括34 cm×20 cm×30 cm的透明水浴容器、溫度和聲信號采集系統和超聲發生系統。本實驗采用北京聲望聲電技術有限公司BSWAMPA201型聲學傳感器在液體外部測得噪聲信號，該型聲學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超聲設備有限公司生產的GYD-M1型超聲波發生器。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，能夠實時地獲取精準數據；通過垂直插入水中的長寬為18 cm×5 cm的錫箔紙實現薄膜空蝕法，然后在空蝕區域選取長寬為4 cm×2 cm的面積(所選區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 實驗結果與討論

2.1 噪聲信號特性

空化現象往往伴隨空化噪聲的出現而出現。空化噪聲頻譜是一個從低頻到高頻的連續譜，連續譜是由空化泡隨機崩潰產生的激波所引起的。在頻譜圖中，空泡的非線性振動會產生基波整數倍(2f0、3f0、4f0、···、nf0)的諧波線譜和奇數倍(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確反映空化現象的發生(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相關實驗時選取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 液位對空化現象的影響

實驗前將液位調到25 cm位置，維持水溫在(20±0.5)°C，打開超聲波發生器，使超聲穩定發生。排水系統可以保證容器內液體緩慢流出，對實驗現象影響很小，因此可以忽略排水系統對實驗的影響。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，由超聲空化產生的聲信號隨液位間隔出現。

圖3 空化噪聲隨液位變化關系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生的超聲在液面處經反射與初始波干涉。在振子正上方的小塊區域，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]

根據線性聲波可疊加原理，合成聲場的聲壓為

由于聲波在媒質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生非全反射，使得pia?=pra。鑒于功率超聲應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，可近似認為聲波在界面發生所謂全反射。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時，在軟介質面上，反射波質點速度與入射波質點速度相位相同，反射波的聲壓與入射波的聲壓相位改變180°。當液位高度時，液體內部產生駐波場；當液位的高度時，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。

另從圖3還可以看出，位置1對應液位高度下空化程度強于位置2～位置6對應液位高度下空化程度，這是因為超聲波在媒質中傳播存在衰減使聲能量產生損失[21]，當液位增加時，遠離超聲換能器區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]，也使得低液位狀態下的空化程度較強。而當液位降到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。

2.3 功率對空化現象的影響

聲空化包含多種效應，其中就包含空蝕效應。超聲空化氣泡在潰滅的瞬間會產生強烈的沖擊力[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)，金屬薄膜就會出現明顯的空蝕現象(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 發生空蝕的薄膜及其二值化Fig.4 Corroded film and its binarization

當超聲功率較大時，薄膜空蝕程度會在距離振子最近的空蝕區域表現為最強(如圖5所示)，而其他空蝕區域明顯變弱，這是由空化屏蔽現象導致的[24]。當液體中某一點的壓力小于空化閾值時，空化氣泡產生。因此當功率增大時壓力幅值隨之增大，在駐波場的負壓區便產生大量的氣泡。空化氣泡受到聲輻射壓力和聲流力的共同作用從負壓區移動到正壓區，然后在正壓區潰滅并使薄膜發生空蝕。由于聲波在傳播過程中入射到氣泡上時，氣泡會對聲波產生折射、透射和反射現象，在氣泡與聲波的接觸面上聲波所攜帶的能量被轉化消耗[25]，在駐波場中靠近換能器的空化區的空化強度必定大于遠離換能器的空化區的空化強度，從而導致空蝕嚴重不均。當超聲功率較小時，超聲空蝕的程度在各個區域分布均勻(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象之間的關系，揭示了空化液體深度優選值的存在，得出以下結論：

(1)空化噪聲是空化現象發生時一個重要的信號特征，它能夠準確地反映空化現象的發生與否，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生較強的沖擊力，造成薄膜發生空蝕，利用Matlab軟件將圖片二值化，進而對薄膜空蝕程度量化，能夠反映空蝕區域的空化程度。

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

本文對超聲空化在超聲清洗方面的應用具有指導意義。同時，實驗發現厚液空化與薄液空化之間可能存在臨界液位，為該領域的進一步研究提供了方向和依據。