程　梅　 董　衛(wèi)　 喬正輝

(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院, 南京 210096)(東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點(diǎn)實(shí)驗室, 南京 210096)

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結(jié)構(gòu)化的復(fù)合聲場及其操縱顆粒有效性的實(shí)驗研究

程梅 董衛(wèi) 喬正輝

(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院, 南京 210096)(東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點(diǎn)實(shí)驗室, 南京 210096)

基于裝置各部件固有頻率相等的方法,設(shè)計制作了一種在平面聲腔側(cè)壁離散對稱布置16極Helmholtz聲源的實(shí)驗裝置,研究了平面聲腔內(nèi)由16極Helmholtz聲源構(gòu)造的復(fù)合聲場及其對顆粒的操縱特性.通過理論和實(shí)驗研究了Helmholtz聲源的頻率特性、平面聲腔的諧振特性、平面聲腔內(nèi)復(fù)合聲場的時空變化特性以及復(fù)合聲場對平面聲腔內(nèi)充注的煙氣顆粒操縱的有效性.結(jié)果表明:運(yùn)行頻率為1.805 kHz時,16極Helmholtz聲源耦合的平面聲腔能夠?qū)崿F(xiàn)同步諧振;平面聲腔內(nèi)形成了聲壓幅度逐漸衰減的環(huán)形復(fù)合聲場;煙氣顆粒被聚集在靠近壁面約0.5個波長的環(huán)形區(qū)域內(nèi),在平面聲腔的中部形成了無顆粒區(qū),顆粒聚集區(qū)與無顆粒區(qū)的面積比約為16∶9.

Helmholtz聲源;共振;復(fù)合聲場;煙氣顆粒

駐波可以操縱氣相或液相介質(zhì)中微小顆粒產(chǎn)生有規(guī)律的變化.關(guān)于駐波聲場操縱顆粒行為的特性,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了多方面的研究.Pathak等[1]針對聲場中顆粒的團(tuán)聚模型,模擬研究二氧化硅納米顆粒懸浮液在聲場中的團(tuán)聚特性.Noorpoor等[2]實(shí)驗研究聲場脫除空氣中2.5 μm細(xì)顆粒的特性,指出高強(qiáng)度的單頻聲場對微米級顆粒的脫除效率有明顯提高作用.杜人君等[3]利用單軸式聲懸浮系統(tǒng)將環(huán)己烷液滴懸浮在半空,研究空氣中液滴的凝結(jié)特性.冷吟等[4]利用高速攝影儀實(shí)驗表征可吸入顆粒物在駐波聲場中的運(yùn)動軌跡.Greenhall等[5]采用聲場相變操控技術(shù)，在液體中利用駐波聲場對單個顆粒進(jìn)行自由連續(xù)控制.文獻(xiàn)[6-7]提出利用2極和4極Helmholtz聲源耦合諧振腔構(gòu)造聲場,操縱有限空間內(nèi)煙氣顆粒的聚散性遷移.

在光學(xué)領(lǐng)域?qū)Y(jié)構(gòu)化光波已進(jìn)行了大量深入的研究,實(shí)驗中已經(jīng)能夠利用波的結(jié)構(gòu)技術(shù)控制結(jié)構(gòu)化光波的角動量和徑向分布[8].借鑒結(jié)構(gòu)化光波的理念,本文利用平面聲腔等頻率耦合多極Helmholtz聲源的方法構(gòu)造了復(fù)合聲場,即在平面聲腔內(nèi)經(jīng)多重聲波間的相互作用形成復(fù)合聲場,并通過輸入端實(shí)現(xiàn)復(fù)合聲場的角動量和徑向分布的調(diào)節(jié)與控制,從而實(shí)現(xiàn)對顆粒的操縱.在實(shí)驗中研究了該類型聲場對煙氣顆粒遷移行為的作用.通過理論和實(shí)驗,重點(diǎn)研究單極和16極平面聲腔的諧振特性、Helmholtz聲源的頻率特性、平面聲腔內(nèi)徑向復(fù)合聲場的時空變化特性以及有或無復(fù)合聲場條件下煙氣顆粒在平面聲腔內(nèi)的分布.

1　實(shí)驗裝置及測試系統(tǒng)

1.1實(shí)驗裝置

如圖1所示,實(shí)驗裝置水平放置,主要由平面聲腔和Helmholtz聲源組成.平面聲腔為封閉的正十六邊形柱形聲腔,側(cè)壁中心為通孔.正十六邊形的內(nèi)切、外接圓半徑MO和OP為平面聲腔的2類特征徑線,其中徑線MO表征靠近無反射壁的狀況,徑線OP表征反射壁接縫處反射率奇異的狀況.Helmholtz聲源由揚(yáng)聲器和圓柱形Helmholtz共振器組成;Helmholtz共振器由通孔、聲腔和揚(yáng)聲器振膜組成;揚(yáng)聲器為電磁式電聲換能器,直徑為40 mm,靜態(tài)電阻為6.7 Ω.整個裝置由圍繞平面聲腔中心、側(cè)壁上對稱布置16極的相同聲源構(gòu)成.Helmholtz共振器和平面聲腔由有機(jī)玻璃板制成,壁厚4.5 mm.平面聲腔高度為60 mm(沿z軸),小于λ/2(波長λ=192 mm).x軸方向與徑線MO平行;2組等分點(diǎn)x2,x3,x4,x5和x7,x8,x9,x10分別沿徑線MO和OP布置;x1,x6,x11為徑線端點(diǎn).

(a) 復(fù)合聲場發(fā)生裝置　(b) Helmholtz聲源

在設(shè)計裝置各聲學(xué)部件的結(jié)構(gòu)尺寸時,為了產(chǎn)生最大的聲壓,平面聲腔和Helmholtz聲源的結(jié)構(gòu)固有頻率滿足共振相似條件,表達(dá)式為[6]

(1)

式中,f0為Helmholtz共振器的共振頻率,本文中f0=1.805 kHz;D,n為平面聲腔的寬度和諧振階數(shù),本文中取D=480 mm,n=5;c為聲速,本文中c=346 m/s;de,le,dt和lt分別為通孔直徑、通孔長度、聲腔直徑和聲腔長度,分別取值為8.0,5.0,35.0和4.5 mm.

1.2實(shí)驗測試系統(tǒng)

測試系統(tǒng)主要由信號發(fā)生器、功率放大器、實(shí)驗裝置、傳聲器和NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成.圖2為平面聲腔耦合16極聲源的實(shí)驗測試系統(tǒng).

圖2　實(shí)驗測試系統(tǒng)

信號發(fā)生器(型號SPF05)發(fā)出指定頻率的周期性電信號,經(jīng)DS2000功率放大器后以同相方式輸入Helmholtz聲源的揚(yáng)聲器,揚(yáng)聲器振膜產(chǎn)生的聲波經(jīng)Helmholtz共振器進(jìn)入平面聲腔,在腔內(nèi)產(chǎn)生復(fù)合聲場.聲場的測壓孔按照徑線MO和OP上的等分點(diǎn)和端點(diǎn)布置,2組測壓孔的間距分別為48.0,48.9 mm.用傳聲器(型號B&KMPA416)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(型號NIPXI-4472)同步采集各測壓孔的聲壓.利用電腦上Labview軟件對采集的聲壓數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和記錄.由于裝置結(jié)構(gòu)的對稱性,徑線MO和OP分別屬于正十六邊形的2類徑線,在測壓孔間距不大于λ/4的條件下,2類徑線上測壓孔的聲壓能夠表征平面聲腔內(nèi)的聲場分布.

2　模型分析

2.1Helmholtz聲源

2.1.1Helmholtz聲源電聲可調(diào)控性分析

由于Helmholtz聲源的結(jié)構(gòu)尺寸遠(yuǎn)小于聲波波長,結(jié)合聲學(xué)集中參數(shù)模型[9-10]和電磁式換能器聲電轉(zhuǎn)換模型[11]對Helmholtz聲源進(jìn)行回路分析,得到如圖3所示的等效類比電路.

圖3　Helmholtz聲源等效類比電路圖

由圖3等效類比電路可得Helmholtz聲源的等效電阻抗Zin的表達(dá)式為

Zin=Re+jωLe+

(2)

式中,Ze為揚(yáng)聲器音圈的等效電阻抗;Zmo為揚(yáng)聲器振膜的等效聲阻抗;Za為Helmholtz共振器的等效聲阻抗;ω為頻率；j2=-1.Helmholtz聲源的響應(yīng)系數(shù)p′為Ps與U0的比值,表達(dá)式為

(3)

由式(3)可知,響應(yīng)系數(shù)p′與輸入電信號頻率和Helmholtz聲源的物理參數(shù)有關(guān),這表明了出口聲壓Ps的可調(diào)屬性.

2.1.2Helmholtz聲源的聲學(xué)特性分析

當(dāng)揚(yáng)聲器發(fā)射的聲波進(jìn)入類比法布里-珀羅腔[12]的聲腔時,將會產(chǎn)生聲波的反射、相干和多重循環(huán),所以聲腔內(nèi)的聲場屬于復(fù)合聲場.類比界面上光的傳輸和反射[13],聲波在腔內(nèi)的傳播如圖4所示.圖中,lt為反射壁1和2之間的距離,E0為入射聲場,Er為反射聲場,Et為聲腔發(fā)射的聲場,t1為聲腔內(nèi)循環(huán)聲場的傳輸率,t2為經(jīng)孔徑向腔外的聲輻射傳輸率,θ為聲波入射角.Ecir為2個壁面間的循環(huán)聲場即多重反射的回音效應(yīng).循環(huán)聲場Ecir表達(dá)式為[14]

Ecir=t1E0+ejγ(-r1)(-r2)Ecir

(4)

式中,ejγ表示傳播相位;r1,r2為2個壁面的反射率;γ為入射聲場通過聲腔往返循環(huán)聚集的相位.式(4)可簡化為

(5)

圖4　Helmholtz聲腔聲傳播示意簡圖

基于聲腔內(nèi)入射聲場的反射聲場和發(fā)射聲場的表達(dá)式為

(6a)

(6b)

腔內(nèi)組合的聲能可以通過Ecir的絕對值二次方計算得到,此時聲能組合因數(shù)為

(7)

聲輻射穿過聲腔與腔壁面的反射聲發(fā)生相位疊加重組,由式(7)可見:當(dāng)cosγ=1,聲能組合因數(shù)達(dá)到最大值,即認(rèn)為聲腔發(fā)生共振;當(dāng)cosγ=-1,聲能組合因數(shù)達(dá)到最小值,即認(rèn)為聲腔發(fā)生反共振.由此可知,Helmholtz聲源具有與激光相似的單頻率共振與反共振的雙重屬性.

2.2平面聲腔中復(fù)合聲場的構(gòu)造

平面聲腔側(cè)壁離散對稱布置的16極Helmholtz聲源同時向平面聲腔中心發(fā)射相同聲波(見圖1(a)),考慮平面聲腔側(cè)壁對聲波的反射及多重反射的回音效應(yīng)[15-16],這些效應(yīng)相互交織重組,最終在平面聲腔的有限空間內(nèi)構(gòu)成特定的復(fù)合聲場.

2.3輻射聲場對顆粒的作用

駐波環(huán)境中,滿足特定條件下顆粒會受到聲學(xué)輻射力的作用.當(dāng)顆粒的尺寸遠(yuǎn)小于波長時,一旦顆粒的幾何結(jié)構(gòu)等效為可壓縮的球形,聲場對單一顆粒小球的聲學(xué)輻射力F0表達(dá)式為[17]

羅永衛(wèi)[9]在《廣西退役運(yùn)動員就業(yè)安置政策執(zhí)行效果研究》中講到，廣東省在安置政策執(zhí)行中存在諸多問題，包括就業(yè)渠道不暢、政策制定滯后與落實(shí)不到位、運(yùn)動員缺乏職業(yè)生涯規(guī)劃等問題。他希望通過發(fā)揮政府的主導(dǎo)作用，拓展多元化就業(yè)模式、以市場為導(dǎo)向，完善政策保障,實(shí)現(xiàn)退役運(yùn)動員就業(yè)安置政策與市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展的完美結(jié)合。

F0=-(2πA2Vcβwλ-1)ψ(β,ρ)sin(2kx)

(8a)

(8b)

式中,A為聲壓幅值;Vc為顆粒體積;β和ρ為可壓縮系數(shù)和密度；下標(biāo)c和w分別表示空氣媒介與顆粒;k為波數(shù);比例因子ψ與媒介和顆粒的可壓縮系數(shù)及密度有關(guān).當(dāng)ψ(β,ρ)>0時,聲場對顆粒的聲學(xué)輻射力指向駐波波節(jié);當(dāng)ψ(β,ρ)<0時,聲場對顆粒的聲學(xué)輻射力指向駐波波腹.

3　實(shí)驗測試與分析

3.1Helmholtz聲源的頻率特性

Helmholtz共振器作為一種聲學(xué)元件,其聲學(xué)參量Ma,Ra和Ca的表達(dá)式為[18]

(9a)

(9b)

(9c)

結(jié)合式(1)中Helmholtz共振器的尺寸參數(shù),利用式(9)計算Helmholtz共振器的各聲學(xué)參數(shù),其中ρw=1.205 kg/m3.實(shí)驗[19]測得揚(yáng)聲器參數(shù)如下:Le=3.32×10-4H,Rmo=1.62×10-2Ω,Mmo=4.3×10-6kg,Cmo=2.09×10-3m/N和φ=0.412.

利用式(3)模擬Helmholtz聲源響應(yīng)系數(shù)隨輸入電信號頻率的變化曲線;同時向單極Helmholtz聲源輸入電壓有效值為0.13 V、頻率為0.8～2.4 kHz的正弦交流電信號,得出聲源聲壓隨頻率的響應(yīng)規(guī)律,結(jié)果如圖5所示.由圖可知,響應(yīng)系數(shù)和聲壓的最大峰值都出現(xiàn)在1.805 kHz處,因而Helmholtz聲源的最佳諧振頻率在理論和實(shí)驗上是一致的.

圖5　聲源頻率特性

3.2平面聲腔的諧振特性

測試時,向耦合平面聲腔的任一單極Helmholtz聲源和全部16極Helmholtz聲源分別輸入電壓有效值為0.33 V、頻率為0.3～2.4 kHz的正弦交流電信號.圖6為單極和16極聲源作用下平面聲腔內(nèi)徑線MO上各測試位置聲壓隨頻率變化的響應(yīng)特征.

(a) 單極聲源

(b) 16極聲源

由圖6(a)可知,單極聲源作用下各測試位置聲壓隨頻率的變化具有相似性,存在多個離散分布的峰值區(qū)域,峰值區(qū)域?qū)?yīng)頻率帶寬在各測試位置近似相同,平面聲腔的整個空間內(nèi)存在多個離散的諧振頻率.在頻率1.5～2.1 kHz對應(yīng)的峰值區(qū)域內(nèi),聲壓響應(yīng)峰值不具有唯一性,該區(qū)域內(nèi)的頻率帶寬明顯較其他峰值區(qū)域大,說明該區(qū)域內(nèi)單極聲源作用下平面聲腔的諧振特征比較模糊,單極聲源輻射的聲波在平面聲腔內(nèi)激發(fā)的諧振特性不明顯.

由圖6(b)可知,16極聲源作用的平面聲腔僅在中心頻率為0.9,1.8 kHz的2個頻率區(qū)域產(chǎn)生2個孤立陡峭的聲壓尖峰,峰值區(qū)域集中,尖峰最小聲壓與單極聲源作用產(chǎn)生的最大聲壓一致,尖峰最大聲壓約是單極聲源的3.0(59.5/20≈3.0)倍.說明在這2個頻率條件下,相比單極聲源，16極聲源作用下平面聲腔的諧振特性更強(qiáng)烈,16束輻射聲波在平面聲腔內(nèi)構(gòu)造了明顯的復(fù)合聲場.平面聲腔在1.8 kHz頻率產(chǎn)生的響應(yīng)聲壓約是在0.9 kHz頻率產(chǎn)生聲壓的2.3(59.5/26≈2.3)倍.在測試諧振特性的頻率范圍內(nèi),裝置在頻率1.8 kHz處產(chǎn)生的聲壓最大,該頻率近似等于通過式(1)設(shè)計的理論頻率1.805 kHz.對比圖5和圖6(b)可知,平面聲腔和Helmholtz聲源的最佳諧振頻率基本一致,共振頻率均為1.805 kHz,裝置的2類聲學(xué)部件平面聲腔和Helmholtz聲源發(fā)生了最佳頻率耦合.

3.3平面聲腔內(nèi)聲場的時空分布

同時向16極Helmholtz聲源輸入電壓有效值為0.33 V,頻率分別為1.70,1.75,1.80,1.85和1.90 kHz的正弦交流電信號,測試平面聲腔內(nèi)聲場的時間和位置分布特征,結(jié)果如圖7所示.

(a) 隨時間變化(徑線MO)　　　　(b) 隨時間變化(徑線OP)

(c) 隨位置變化(徑線MO)　　　　(d) 隨位置變化(徑線OP)

由圖7(a)和(b)可知,平面聲腔2類徑線上各測點(diǎn)的聲壓隨時間均呈正弦周期性變化.平面聲腔中心x6處的聲壓最高,位于強(qiáng)聲場區(qū)域;徑線MO上x2,x4處和徑線OP上x8,x10處的聲壓最低,位于弱聲場區(qū)域.徑線MO上,x1,x5,x6處的波動相位近似相等,相差0相位;與x3,x4處波動相位相反,相差π相位;與x2處波動相位相差π/2.徑線OP上，x6,x7,x10處的波動相位相同;與x8,x9處波動相位相反.由此可知,在同一時間變化周期內(nèi),平面聲腔內(nèi)各位置聲壓波動可以同時達(dá)到最大值或最小值.這種時間變化特征說明16極聲源注入的聲場在相互作用過程中會產(chǎn)生同時增強(qiáng)或同時削弱的效果,這種特性有利于構(gòu)造穩(wěn)定的復(fù)合聲場.

圖7(c)和(d)分別為在不同頻率時平面聲腔徑線MO和OP上的聲壓變化曲線.由圖可知,在1.80,1.85和1.90 kHz的頻率條件下,對應(yīng)產(chǎn)生的3條聲壓變化曲線逐漸重合,測壓孔xi(i=1,2,…,11)越靠近壁面，曲線之間的差異性越大;1.80 kHz對應(yīng)的聲壓值曲線整體略高于其他2條聲壓值曲線,而1.75,1.70 kHz頻率產(chǎn)生的聲壓值明顯低于前3條曲線的聲壓值,說明在各聲學(xué)部件耦合頻率1.80 kHz的諧振條件下,16極聲源激發(fā)平面聲腔產(chǎn)生的復(fù)合聲場起伏性最佳,聲場質(zhì)量最好.在2類徑線上,x2,x4,x8,x10的聲壓為極小值,處于曲線谷值;x3,x6,x9的聲壓為極大值,處于曲線峰值.

從平面聲腔中心到側(cè)壁面,2類徑線上聲壓逐漸起伏衰減,且徑線上到中心的距離相同時，聲壓近似相等.平面聲腔內(nèi)的復(fù)合聲場以腔心O為圓心在逐漸遠(yuǎn)離腔心方向形成近似等壓力圓環(huán)線的聲場.圓環(huán)形聲場分布呈現(xiàn)中間聲壓力變化最強(qiáng),向周圍逐漸弛豫衰減趨勢.這種聲場環(huán)形分布的起伏特性與文獻(xiàn)[20]利用16極直徑為10.98 mm的環(huán)形面聲源在液體媒介液面用2.45 MHz超聲波激發(fā)的表面駐波類似.由于液體和空氣物理特性的差異,點(diǎn)/面聲源向媒介輻射聲波的阻抗匹配存在明顯差異,液體/空氣媒介的聲學(xué)裝置不能互用.在忽略點(diǎn)/面聲源結(jié)構(gòu)、聲波頻率和媒介阻抗差異的條件下,本文實(shí)驗得出的聲場空間分布結(jié)果與文獻(xiàn)[20]中利用貝塞爾函數(shù)模擬的聲場分布近似,說明本文中由16極聲源疊加構(gòu)成的復(fù)合聲場可以用貝塞爾函數(shù)方法模擬.

3.4復(fù)合聲場操縱煙氣顆粒實(shí)驗

Vranjes等[21]在分析能量密度梯度時指出:能量分布不均的流體中,粒子傾向于向低能態(tài)遷移或直接擴(kuò)散至低能量密度區(qū).有限空間內(nèi)能量分布形態(tài)反映出區(qū)域的內(nèi)部動力學(xué)特征[22].

向密封平面聲腔內(nèi)注入煙草燃燒煙氣顆粒,煙氣體積為52.8 L.通過TSI9303粒子計數(shù)器測得煙氣中69%的顆粒粒徑不大于0.3 μm,31%的顆粒粒徑范圍為0.3～2.5 μm.無聲場作用時,平面聲腔內(nèi)的煙氣在光束S1和S2下呈近似乳白色均勻分布(見圖8(a)).向16極Helmholtz聲源輸入電壓有效值為4.7 V、頻率為1.805 kHz的正弦交流電信號,20 min后平面聲腔內(nèi)的煙氣分布如圖8(c)所示.

(a) 無聲場　　(b) 局部放大

(c) 有聲場

由3.3節(jié)可知,平面聲腔內(nèi)的復(fù)合聲場中中間聲場強(qiáng)度明顯高于邊緣,產(chǎn)生了復(fù)合密度梯度場.根據(jù)式(8)可知,在密度梯度場的作用下,大量煙氣顆粒從靠近中心的強(qiáng)聲場區(qū)域向靠近邊緣的弱聲場區(qū)域遷移,最終聚集在靠近壁面的弱聲場環(huán)形區(qū)域內(nèi).從而導(dǎo)致聲腔中部煙氣顆粒分布稀薄,形成近似無顆粒區(qū).

由圖8(c)平面聲腔內(nèi)整體的聲能密度和煙氣顆粒密度分布表明,在復(fù)合聲場中,平面聲腔內(nèi)的煙氣顆粒產(chǎn)生了明顯的聚集分布.圖中,圓線l1,l2,l3界定了顆粒聚集分布區(qū)域的邊界,圓線l1(半徑r1≈3λ/4)內(nèi)部為無煙氣顆粒區(qū)域A1,圓環(huán)l2～圓環(huán)l3(寬度l2-3≈3λ/8)內(nèi)部為煙氣顆粒聚集區(qū),圓環(huán)l1～圓環(huán)l2(寬度l1-2≈λ/8)內(nèi)部為有或無煙氣顆粒的過渡區(qū),過渡區(qū)煙氣顆粒明顯少于外部顆粒聚集區(qū)而多于內(nèi)部無顆粒區(qū).相對無顆粒區(qū),煙氣顆粒聚集區(qū)和過渡區(qū)可劃為同一顆粒聚集區(qū)A2,位于圓環(huán)l1～圓環(huán)l3(寬度l1-3≈λ/2)內(nèi)部.區(qū)域A2和A1的面積分別為((5λ/4)2-(3λ/4)2)π≈1 157.5 cm2和(3λ/4)2π≈651 cm2,區(qū)域A2與A1的面積比約為16∶9.

在圓環(huán)l2～圓環(huán)l3呈現(xiàn)的白色煙氣顆粒聚集區(qū)內(nèi),圍繞壁面16極聲源形成以細(xì)窄暗條紋分割的16個近似孤立的煙氣顆粒聚集團(tuán).圖8(b)局部展示了煙氣顆粒聚集團(tuán)的具體結(jié)構(gòu).圖中的細(xì)窄暗條紋內(nèi)無煙氣顆粒,條紋位于2塊反射板的接縫處.

該實(shí)驗驗證了持續(xù)輸入的聲學(xué)輻射能量在平面聲腔的幾何中心聚集形成高密度聲場,并同時沿徑向朝邊緣擴(kuò)展,從而構(gòu)成了聲場密度的幾何結(jié)構(gòu).此外,隨著聲場密度的擴(kuò)張,擠壓了煙氣顆粒存在的空間.在擴(kuò)張的聲學(xué)密度場作用下,煙氣顆粒聚集在聲場密度較低的空間,從而構(gòu)造了看似有結(jié)構(gòu)的聲場與煙氣顆粒密度分布.

4　結(jié)論

1) 利用共振相似條件設(shè)計裝置,各聲學(xué)部件能夠達(dá)到最佳頻率耦合.在信號頻率1.805 kHz的作用下,平面聲腔和Helmholtz聲源能夠產(chǎn)生同步諧振,通過輸入端可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合聲場的角動量和徑向分布的調(diào)節(jié)與控制.

2) 空間對稱的16極Helmholtz聲源向平面聲腔內(nèi)發(fā)射的相同聲波經(jīng)交織重組后,形成中間聲場強(qiáng)度高、邊緣聲場強(qiáng)度低的環(huán)形復(fù)合聲場.在裝置固有共振頻率附近,輸入信號的頻率小幅改變后,產(chǎn)生的復(fù)合聲場結(jié)構(gòu)能夠近似不變.

3) 與無聲場作用相比,煙氣顆粒在平面聲腔的復(fù)合聲場擠壓下,以環(huán)形方式聚集在聲腔邊緣.顆粒聚集區(qū)的面積約為1 157.5 cm2,無顆粒區(qū)的面積約為651 cm2,驗證了復(fù)合聲場操縱煙氣顆粒的有效性.

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Experimental study on structured complex acoustic field and its effectiveness of particle manipulation

Cheng Mei Dong Wei Qiao Zhenghui

(School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China)(Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China)

Based on the method with equal natural frequencies for all equipment components, an experimental device symmetrically and discretely distributed by 16 Helmholtz sound sources (HSSs) on the sidewall of a planar acoustic cavity was designed and fabricated. The complex acoustic field created by 16 HSSs in the cavity and its manipulation on particle were studied. The frequency characteristics of HSS, the resonance of planar acoustic cavity, the time-space variation feature of acoustic field and its manipulating effectiveness on filling smoke particles in planar acoustic cavity were theoretically and experimentally researched. The results show that the synchronization resonance of planar acoustic cavity coupled to 16 HSSs occurs at the working frequency 1.805 kHz. An amplitude-decaying annular complex acoustic field is generated in planar acoustic cavity. Smoke particles are gathered in the annular region about 0.5 a wavelength near the wall. There forms a particle-free zone in cavity central, and the area ratio of particle clusters to no particles is about 16∶9.

Helmholtz sound source; resonance; complex acoustic field; smoke particles

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.04.008

2015-11-01.作者簡介: 程梅(1990—)，女，碩士生；董衛(wèi)(聯(lián)系人)，男，博士，教授，dongwei59@seu.edu.cn.

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項資金資助項目(3203005101)、江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃資助項目(KYLX15_0069).

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.04.008.

TK09

A

1001-0505(2016)04-0720-07

引用本文: 程梅,董衛(wèi),喬正輝.結(jié)構(gòu)化的復(fù)合聲場及其操縱顆粒有效性的實(shí)驗研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2016,46(4):720-726.