一种超声清洗换能器空化强度测量系统及方法与流程

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1.本发明涉及超声空化检测技术领域，具体讲是一种超声清洗换能器空化强度测量系统及方法。


背景技术：

2.在众多功率超声的实际应用中，超声清洗是最广泛应用之一。超声清洗利用了超声的物理效应、化学效应、热效应和空化效应，其中空化效应起关键作用。当超声作用于清洗槽内的液体介质的时候，由于驱动超声的作用，清洗槽内的声场中会产生压力起伏。随着超声换能器功率的增加，声场中的压力起伏也随之变大，在某些区域产生负压，进而发生空化。清洗槽中空化泡的膨胀、收缩、溃灭等过程会在周围产生机械冲击力，剥离被清洗器件表面的杂质、油污等污物，达到清洗的效果。
3.在交变压力场(声场)作用下形成的气腔和气泡称为声空化，并称此类气腔和气泡为空化泡。声空化可包括一个空化或由声场激发而形成的运动空化泡群。根据液体介质中空化泡的寿命和半径变化速率，声空化主要有两种类型：瞬态空化和稳态空化。稳态空化的气泡长时间存在，单独分散分布于水槽中。在超声清洗槽的声场环境中，气泡生成后，多数在固定位置小幅度振荡。少部分气泡振荡幅度较大，或在声场中运动至边界后破灭。瞬态空化与空化效应有关，会在液体介质中产生极端的物理条件，以及射流等现象，虽然对清洗有促进作用，但其破坏力也十分强，需要引起注意。常见的声空化中，均包含瞬态空化。
4.空化阈值为能使液体介质发生空化的最低压力幅值，反应发生空化的难易程度。空化阈值越高，所需的压力幅值越高，发生空化的难度越高；反之，则越容易。理想条件下，克服范德瓦尔斯力而发生空化的空化阈值称之为理想空化阈值。现实液体中存在微小的杂质，这些杂质微粒上存在缝隙，而在缝隙中存在少量气体。将这些杂质微粒缝隙中的气体，容器壁上缝隙中的气体以及液体中的微气泡称为空化核，由于空化核因压力起伏而产生的空化称为有核空化。
5.空化噪声是由于在发生空化时，空化泡的线性与非线性脉动，空化泡的形成与破灭，以及空化泡之间的相互作用等因素而产生的，始终伴随着空化过程。在大功率超声的作用下，紧致的液体介质中会产生大量空化泡，并且它们会做大幅度的脉动。空化泡的大幅度脉动是高度非线性的，这使得它辐射的噪声的声谱变得非常复杂，包含了谐波、次谐波、超谐波等成分。空化泡破灭的过程比稳态脉动更为复杂，由此带来了更为复杂的频谱成分。稳态空化由于气泡的振荡以及气泡壁的膨胀与收缩，气泡周围出现微流。同时，空化噪声中包含有谐波、次谐波，随着空化强度的加大，还会出现超谐波。瞬态空化通常以集群的形式出现，气泡产生后迅速破灭，周而复始，在一定区域内形成气泡云。瞬态空化出现时，产生宽频带噪声，空化噪声中一定包含谐波、次谐波、超谐波以及象征瞬态空化存在的连续谱。
6.空化噪声谱分析法是通过对空化噪声的测量、分析得到空化强度的方法。产生空化噪声是液体介质发生空化时的一个重要特点。空化噪声是由于在发生空化时，空化泡的线性与非线性脉动，空化泡的形成与破灭，以及空化泡之间的相互作用等因素而产生的，始
终伴随着空化过程。在发生超声空化时，声场是驱动超声声场与空化噪声的叠加。因为空化噪声包含了复杂而多样的成分，并且这些成分的来源不同，所以测量空化噪声，分析空化噪声谱成分就能了解空化过程的各个部分，包括空化的起始、强度等信息。
7.现有技术中，超声空化场测量的设计种类繁多，如中国专利申请号为202010996407.x的水下超声空化场特征测量及可视化系统和方法，中国专利申请号为201610497510.3的一种空化场三维定位设备，空化测量装置和方法，以及中国专利申请号为201610239757.5的超声空化噪声信号测量装置和方法。但上述技术均难以使超声清洗换能器产生的空化活动的剧烈程度可以得到更明确、直观地表示，也无法实现超声清洗换能器产生空化的稳态空化强度与瞬态空化强度的测量，从而无法使超声清洗换能器处于最佳工作状态。


技术实现要素：

8.本发明所要解决的技术问题是，提供一种超声清洗换能器空化强度测量系统，实现超声清洗换能器产生空化的稳态空化强度与瞬态空化强度的测量，可据此调节超声清洗换能器功率，使其工作的状态最佳，同时使超声清洗换能器产生的空化活动的剧烈程度可以得到更明确、直观地表示。
9.本发明的技术解决方案是，提供一种超声清洗换能器空化强度测量系统,所述系统包括
10.超声清洗换能器，用于超声清洗工作；
11.测量水槽，用于放置所述超声清洗换能器；
12.信号源，为所述超声清洗换能器输出单频连续信号，并使所述超声清洗换能器小功率输出超声信号；
13.功率放大器；用于放大信号源的信号；
14.水听器，用于扫描测量所述超声清洗换能器辐射面中心位置垂直于所述超声清洗换能器辐射面的直线上的声压；
15.运动控制系统，用于控制水听器的移动；
16.数据采集分析系统，用于信号采集和数据分析，并通过对空化噪声谱分析，以线谱提取的方式计算得空化产生的对应谐波的谐波噪声级。
17.作为优选，所述数据采集分析系统包括示波器、采集卡与计算机，示波器与采集卡采样率不低于2mhz/s，计算机分析采集卡采集的水听器接收的空化噪声信号。
18.作为优选，超声清洗换能器工作频率为20khz～30khz或40khz～50khz。超声清洗换能器由多个超声振子封装于金属外壳内。超声清洗换能器由信号源提供信号，功率放大器将该信号放大后，经超声清洗换能器发出超声波。
19.作为优选，所述运动控制系统是固定于测量水槽壁上的运动机构，其由运动导轨、步进电机、连接装置与程控装置组成，可驱动水听器沿x(水槽的宽)、y(水槽的长)、z(竖直)、θ(以z方向为轴旋转)运动。
20.作为优选，所述运动系统可手动控制运动，也可程控并由电机带动装置运动。
21.作为优选，所述连接装置包括连接杆，所述水听器固定于所述连接杆上，从而可精确定位于某一点或按某一设定的运动轨迹运动。
22.进一步的，所述测量水槽的尺寸大于超声清洗换能器的尺寸，其水槽壁材料为有机玻璃。超声清洗换能器放入测量水槽后，换能器上方需要有足够的深度。
23.本发明还提供一种超声清洗换能器空化强度测量方法，包括以下步骤，
24.步骤1、将辐射面朝上的超声清洗换能器放在已洗净测量水槽底部的中心位置，并将水听器固定于运动控制系统的连接杆上，调节运动控制系统，使水听器位于超声清洗换能器辐射面中心位置，向水槽中加入足量自来水；
25.步骤2、设置信号源，调节功率放大器挡位，使信号源输出超声清洗换能器谐振频率的单频连续信号，并使超声清洗换能器小功率输出超声信号；
26.步骤3、设置运动控制系统程序，用水听器由近及远，逐点扫描测量超声清洗换能器辐射面中心位置垂直于换能器辐射面的直线上的声压，扫描间隔应小于λ/6，λ为驱动超声的波长；
27.步骤4，以步骤3中测量直线上测得的最大声压点为单点空化强度测量点，以该点所在平行于超声清洗换能器辐射面的平面为扫描空化强度测量的轨迹平面；
28.步骤5，单点测量，先从小输入电功率开始测量，测量时用采集卡记录水听器接收的声信号，然后调节信号源与功率放大器，逐步加大输入电功率，各功率点之间的间隔需较密集，用采集卡采集每个功率点水听器的接收的声信号，同时监视超声清洗换能器输入电功率；
29.步骤6，由计算机对采集的信号进行分析，分析过程首先将数据分为m段，对各段数据fm(t)求幅度谱，计算公式为
[0030][0031]
式中，fm(f)为分段数据第m段的幅度谱。然后提取基波及各阶谐波的线谱，由线谱的幅值un计算基波及各阶谐波的声压pn，计算公式为
[0032][0033]
式中，mn为水听器对应频率的灵敏度。接着由公式(1)计算得基波声压级及各阶谐波噪声级。计算公式为
[0034][0035]
最后，将各段数据求得的l
cn-n
取平均，得到基波声压级均值及各阶谐波噪声级均值。计算公式为
[0036][0037]
步骤7，由步骤6计算得各功率点的2.5倍谐波噪声级(l
cn-2.5
)和2.25倍谐波噪声级(l
cn-2.25
)，分别绘制谐波-输入电功率图，以2.5倍谐波出现表示稳态空化起始，以2.25倍谐波出现后增长速率改变点为瞬态空化起始，根据所得结果判断稳态空化与瞬态空化的阈值；
[0038]
步骤8，设置运动控制系统，使水听器按以缓慢的速度按曲折的路径通过超声清洗换能器上方的声场，需使路径位于步骤4中所选定的平面，并以该平面对应超声清洗换能器辐射面某一顶角处出发，穿过整个换能器，至该角的对角处结束；
[0039]
步骤9，调节信号源与功率放大器，使超声清洗换能器处于待测的清洗工况下，用采集卡采集水听器运动过程中接收的声信号，由步骤6中的步骤计算水听器运动中测得的空间平均2.5倍谐波噪声级(l
cn-2.5
)和2.25倍谐波噪声级(l
cn-2.25
)；
[0040]
步骤10，将步骤9中得到的结果与稳态空化阈值与瞬态空化阈值比较，若小于稳态/瞬态空化阈值，则表明未发生稳态/瞬态空化，若大于稳态/瞬态空化阈值，以各空间平均谐波噪声级与各空化阈值之差表示空化强度。
[0041]
采用以上方案后与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0042]
(a).该方法操作简单，便于实施；
[0043]
(b).可以精准定位测量点，精准控制水听器运动速度，以及设置水听器运动轨迹；
[0044]
(c).根据超声空化与空化噪声的特点，以和不同种类空化相对应的谐波噪声级与空化阈值对应的谐波噪声级之差来表示空化强度，更明确、直观地表示了超声清洗换能器产生的空化活动的剧烈程度；实现超声清洗换能器产生空化的稳态空化强度与瞬态空化强度的测量，可据此调节超声清洗换能器功率，使其工作的状态最佳；
[0045]
(d).以谐波噪声级的空间平均来表示空化强度，更好地表示了测量水槽中空化的总体情况。
附图说明：
[0046]
图1为本发明的超声清洗换能器空化强度测量系统示意图；
[0047]
图2为本发明的2.5倍谐波噪声级与2.25倍谐波噪声级测量结果示意图；
[0048]
其中：1、超声清洗换能器；2、测量水槽；3、水听器；4、运动控制系统；5、功率放大器；6、信号源；7、示波器；8、采集卡；9、计算机。
具体实施方式：
[0049]
下面结合附图就具体实施方式对本发明作进一步说明：
[0050]
如图1所示，一种超声清洗换能器空化强度测量系统,所述系统包括
[0051]
超声清洗换能器1，用于超声清洗工作；
[0052]
测量水槽2，用于放置超声清洗换能器1；
[0053]
信号源6，为超声清洗换能器1输出单频连续信号，并使超声清洗换能器1小功率输出超声信号；
[0054]
功率放大器5；用于放大信号源6的信号；
[0055]
水听器3，用于扫描测量超声清洗换能器5辐射面中心位置垂直于超声清洗换能器辐射面的直线上的声压；
[0056]
运动控制系统4，用于控制水听器3的移动；
[0057]
以及示波器7、采集卡8与计算机9，示波器7与采集卡8采样率不低于2mhz/s，计算机9分析采集卡采集的水听器接收的空化噪声信号。
[0058]
其中，水听器固定于运动控制系统的连接杆上，调整至超声清洗换能器上方适宜位置，通过计算机分析采集卡采集的水听器接收的空化噪声信号。水听器优选具有足够的带宽，约在20khz～200khz之间具有足够的灵敏度，并且足够坚固，以抵御超声清洗换能器大功率工作时的空化腐蚀与声压的冲击。同时，功率放大器的阻抗应尽可能与超声清洗换
能器匹配，在大功率输出时工作稳定，具有输出电压与输出电流的监视接口。
[0059]
本实施例中，超声清洗换能器工作频率为20khz～30khz。超声清洗换能器由信号源提供信号，功率放大器将该信号放大后，经超声清洗换能器发出超声波。
[0060]
运动控制系统是固定于测量水槽壁上的运动机构，其由运动导轨、步进电机、连接装置与程控装置组成，可驱动水听器沿x(水槽的宽)、y(水槽的长)、z(竖直)、θ(以z方向为轴旋转)运动。其控制方式可手动控制运动，也可程控并由电机带动装置运动。
[0061]
这其中，连接装置包括连接杆，水听器固定于连接杆上，从而可精确定位于某一点或按某一设定的运动轨迹运动。
[0062]
进一步的，测量水槽的尺寸大于超声清洗换能器的尺寸，其水槽壁材料为有机玻璃。超声清洗换能器放入测量水槽后，换能器上方需要有足够的深度。
[0063]
本发明还提供一种超声清洗换能器空化强度测量方法，包括以下步骤，
[0064]
步骤1、将辐射面朝上的超声清洗换能器放在已洗净测量水槽底部的中心位置，并将水听器固定于运动控制系统的连接杆上，调节运动控制系统，使水听器位于超声清洗换能器辐射面中心位置，向水槽中加入足量自来水；
[0065]
步骤2、设置信号源，调节功率放大器挡位，使信号源输出超声清洗换能器谐振频率的单频连续信号，并使超声清洗换能器小功率输出超声信号；
[0066]
步骤3、设置运动控制系统程序，用水听器由近及远，逐点扫描测量超声清洗换能器辐射面中心位置垂直于换能器辐射面的直线上的声压，扫描间隔应小于λ/6，λ为驱动超声的波长；
[0067]
步骤4，以步骤3中测量直线上测得的最大声压点为单点空化强度测量点，以该点所在平行于超声清洗换能器辐射面的平面为扫描空化强度测量的轨迹平面；
[0068]
步骤5，单点测量，先从小输入电功率开始测量，测量时用采集卡记录水听器接收的声信号，然后调节信号源与功率放大器，逐步加大输入电功率，各功率点之间的间隔需较密集，用采集卡采集每个功率点水听器的接收的声信号，同时监视超声清洗换能器输入电功率；
[0069]
步骤6，由计算机对采集的信号进行分析，分析过程首先将数据分为m段，对各段数据fm(t)求幅度谱，计算公式为
[0070][0071]
式中，fm(f)为分段数据第m段的幅度谱。然后提取基波及各阶谐波的线谱，由线谱的幅值un计算基波及各阶谐波的声压pn，计算公式为
[0072][0073]
式中，mn为水听器对应频率的灵敏度。接着由公式(1)计算得基波声压级及各阶谐波噪声级。计算公式为
[0074][0075]
最后，将各段数据求得的l
cn-n
取平均，得到基波声压级均值及各阶谐波噪声级均值。计算公式为
[0076][0077]
步骤7，由步骤6计算得各功率点的2.5倍谐波噪声级(l
cn-2.5
)和2.25倍谐波噪声级(l
cn-2.25
)，分别绘制谐波-输入电功率图，以2.5倍谐波出现表示稳态空化起始，以2.25倍谐波出现后增长速率改变点为瞬态空化起始，根据所得结果判断稳态空化与瞬态空化的阈值；
[0078]
步骤8，设置运动控制系统，使水听器按以缓慢的速度按曲折的路径通过超声清洗换能器上方的声场，需使路径位于步骤4中所选定的平面，并以该平面对应超声清洗换能器辐射面某一顶角处出发，穿过整个换能器，至该角的对角处结束；
[0079]
步骤9，调节信号源与功率放大器，使超声清洗换能器处于待测的清洗工况下，用采集卡采集水听器运动过程中接收的声信号，由步骤6中的步骤计算水听器运动中测得的空间平均2.5倍谐波噪声级(l
cn-2.5
)和2.25倍谐波噪声级(l
cn-2.25
)；
[0080]
步骤10，将步骤9中得到的结果与稳态空化阈值与瞬态空化阈值比较，若小于稳态/瞬态空化阈值，则表明未发生稳态/瞬态空化，若大于稳态/瞬态空化阈值，以各空间平均谐波噪声级与各空化阈值之差表示空化强度。
[0081]
稳态空化强度ic-s和瞬态空化强度ic-t计算公式为
[0082]ic-s
＝l
cn-2.5-l
cn-2.5-threshold
[0083]ic-t
＝l
cn-2.25-l
cn-2.25-threshold
[0084]
如图2所示，深色(圆点标记)曲线为2.5倍谐波噪声级与输入电功率曲线，浅色(菱形标记)曲线为2.25倍谐波噪声级与输入电功率曲线；2.5倍谐波噪声级先于超声清洗换能器输入电功率为42w左右高于底噪，此时出现稳态空化，该点为稳态空化阈值点；2.25倍谐波噪声级出现后，其增长速率于超声清洗换能器输入电功率为150w左右减小，此时出现瞬态空化，该点为瞬态空化阈值点。
[0085]
本发明使超声清洗换能器产生的空化活动的剧烈程度可以得到更明确、直观地表示；同时，实现超声清洗换能器产生空化的稳态空化强度与瞬态空化强度的测量，可据此调节超声清洗换能器功率，使其工作的状态最佳。
[0086]
以上仅就本发明较佳的实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。凡是利用本发明说明书所做的等效结构或等效流程变换，均包括在本发明的专利保护范围之内。