液位对超声破碎能量场的影响研究

冯丽丽，刘 斌，徐雪冬，俞 剑

（北京工商大学材料与机械工程学院，北京 100048）

随着超声学的迅速发展，超声技术在超声清洗、超声乳化、超声均质、超声粉碎等行业中得到广泛应用。在这些超声处理过程中，声空化是主要的作用机理。空化是指当液体的压强下降到足够低时液体中空泡的生成及其后续的动力学行为[1]。基本的功率超声振动系统一般由超声波发生器、换能器、变幅杆等部分组成。超声波发生器是将工频交流电信号转换为超声频电振荡信号，换能器是将高频的电振荡信号转换成机械振动，变幅杆将换能器输出的超声振动质点位移或速度进行放大[2]，以此来提高超声破碎的效果。提高超声破碎能力除了研究各种类型的变幅杆[3-5]之外，研究能量场的能量分布也同样重要。

影响超声空化的因素与超声的诸多声学参量是密切相关的，试验通过对液位高度的选择进行考查，利用Comsol对超声场内的声能密度的空间分布和其特点进行了探讨，最后应用SCL图像采集试验进行了验证。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料

直径100 mm，高度120 mm的透明玻璃容器；反应料液采用去离子水。

1.1.2 仪器

超声波发生器，变幅杆直径6.5 mm，标称频率20 kHz，中科院声学所定制；激光测振系统：速度灵敏度200 mm/s-V，丹麦B&K公司产品；TDS 2024B型数字示波器，带宽200MHz，美国Tektronix公司产品；MotionBLITZ cube4型工业相机，光谱带宽400～800 nm，焦距50 mm，光圈0.95，德国MIKROTRON公司产品。

1.2 试验方法

1.2.1 声源振速的测定

声源振速采用激光测振法。在工况条件下，激光测振仪获取变幅杆端面中心振速，并将其输入到TDS 2024B型数字示波器，示波器同步采集声源频率，通过数据端口与计算机连接，进行显示、存储、分析处理。

1.2.2 能量场的有限元模型

玻璃容器为圆柱形，有限元的建模与分析采用COMSOL软件。①料液的声学特性取值：设定水密度ρ为1 000 kg/m3，声速c取1 480 m/s；②声源条件：由激光测振仪给定实测速度；③边界条件：变幅杆侧面与料液接触面为硬边界条件，料液面（声压反射系数为0.999 7） 和料腔壁均为软边界条件；④网格划分：根据COMSOL轴对称计算条件，采用二维四边形面网格，计算上限频率约为62 kHz，满足频率精度计算要求。

为反映料腔声场的能量分布，可采用平均声能量密度，即单位体积里的平均声能量：

式中：ε——声能量的时间平均值，J；

V——体积元在声扰动之前的体积，m3。

1.2.3 能量场的SCL图像测试

将溶液中加入微量鲁米诺时，会有效增强声致发光强度，这种现象被称为声致化学发光（SCL）[6]。玻璃容器内注入luminol-NaOH水溶液，luminol和NaOH的质量浓度分别为0.1g/L和1g/L[7]。玻璃容器采用三点悬置支撑，长期在暗室中进行。在工况下，肉眼隐约可见溶液中出现淡蓝色的光束，由工业相机进行拍摄，曝光时间5 min。

2 结果与分析

2.1 变幅杆工作频率及振速结果

为保证仿真与试验的有效性，需要获得超声变幅杆的工况频率和振速幅值。

变幅杆在工况70 mA时的振速频谱见图1。

图1 变幅杆在工况70 mA时的振速频谱

由图1可知，标称频率为20 kHz的换能器，实际工作频率为20.008 kHz，二者相对误差仅为0.04%，可将工况频率视为20 kHz。工况频率时，变幅杆做纵向振动，振速达到最大，超声功放70 mA时声源振速为0.899 m/s。

2.2 能量场的有限元分析结果

声波在有界圆柱形声场中会以正弦的方式沿波的方向向前传播，且具有一定的波动性，内部声压沿径向呈柱贝塞尔函数分布。

声波在圆柱形声场中的传播规律见图2。

图2 声波在圆柱形声场中的传播规律

超声破碎能量场的分布特性与场中超声能量的分布密切相关，且场中同时存在入射波和反射波，故在有限元分析中采用平均声能密度来表征其空间分布特性。为了验证不同液位高度对超声破碎的能效利用的影响及其处理能力，对料液的液位高度按15 mm的增量进行取值，其高度范围为30～105 mm（其他条件：变幅杆浸入料液深度10 mm，半径50 mm，激励频率20 kHz，超声功放70 mA）。

不同液位高度下的平均声能密度见图3。

图3 不同液位高度下的平均声能密度

由图3（a～f）可知，不同液位下的能量分布大不相同，45 mm和90 mm时的声能密度值较高，而其他液位高度下的声能值则大大降低且声场能量区域集中在探头附近，而远离探头辐射表面处的声能较小。这是由于料液声场是由若干个模态频率叠加而成，在谐振液位时，模态频率和激励频率较为接近，声能的辐射便最大限度地得到提高，而非谐振液位下两者则较远，声能幅值也便降低。从图3（b）和（e）发现，较高的能量聚集区呈椭圆状分布，H为45 mm时，声能由中心向四周扩散衰减，直至壁面处为0；H为90 mm时，2个能量区呈上下对称分布，直至壁面处为0，其长半轴、短半轴分别在径向和轴向方向，可见，声能在轴向上的衰减速率大于径向方向。

2.3 能量场的SCL图像测试结果

为了更好地分析料液整体的、平均的空化效果，对不同液位高度下的能量场进行了研究。

不同液位高度下的SCL图像见图4。

由图4（a～f）可知，空化效应的SCL分布图像对有限元分析的结果提供了较好的验证。当液位高度为45～90 mm时，表现出了与仿真声能分布近似的远场空化效应，使得料液中的物料能充分均匀并高效地破碎，超声能量的转换更为高效；而其他液位下则形成了与仿真声能分布近似的近场空化效应，较高的声能如若长时间聚集在变幅杆周围，会造成周围料液的升温迅速提高，从而腐蚀换能器表面，同时声能量传输性能的降低也影响了工业的经济效益。料液中空化分布的试验结果也较好地验证了场内声能的分布特性。

图4 不同液位高度下的SCL图像

3 结论

以料腔半径50 mm，声源浸入深度10 mm，激励频率20 kHz的声场条件为基准，改变料液的液位高度，通过有限元分析方法和SCL图像相结合，发现液位高度对场内的能量分布较为显著。有界料腔声场中存在谐振液位，谐振液位下的声能密度值远大于非谐振液位，呈现出稳定的空化分布。

参考文献：

[1]白立新.超声空化结构的产生和控制 [G]//中国声学学会功率超声分会.2013年全国功率超声学术会议论文集.北京：中国声学学会功率超声分会，2013：11-14.

[2]刘浩东，胡芳友，李洪波，等.功率超声技术的分类研究及应用 [J].电焊机，2014，44（12）：25-29.

[3]陈汇资，赵波，卞平艳，等.圆锥型复合变幅杆优化及动力学特性 [J].应用声学，2016，35（1）：20-26.

[4]林书玉，鲜小军.功率超声换能振动系统的优化设计及其研究进展 [J].陕西师范大学学报（自然科学版），2014，42（6）：31-39.

[5]潘巧生，刘永斌，贺良国，等.一种大振幅超声变幅杆设计 [J].振动与冲击，2014，33（9）：1-5，20.

[6]Son Y，Lim M，Ashokkumar M，et al.Geometric Optimization of Sonoreactors for the Enhancement of Sonochemical Activity[J].Journal of Physical Chemistry C，2011（10）：4 096-4 103.

[7]Son Younggyu，Lim Myunghee，Khim Jeehyeong， et al.Acoustic emission spectra and sonochemical activity in a 36 kHz sonoreactor[J].Ultrasonics Sonochemistry，2011，19（1）：16-19.◇