劉麗艷，楊 超，劉芃 宏，劉小康，譚 蔚，汪 洋

(天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300350)

近年來(lái)，超聲在工業(yè)清洗、污水處理、聲化學(xué)反應(yīng)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注，其得以應(yīng)用的重要原因是超聲場(chǎng)中空化現(xiàn)象的發(fā)生．超聲空化是指超聲作用下液體介質(zhì)中空化泡的形成、長(zhǎng)大和潰滅的過(guò)程[1]．在周期性高頻超聲作用下，空化泡的半徑可以在極短時(shí)間內(nèi)被壓縮到1/10 左右(可以認(rèn)為是絕熱過(guò)程)，該過(guò)程會(huì)將氣泡內(nèi)溫度和壓力分別提高到5 000 ℃和100 MPa 左右，在空化泡內(nèi)部產(chǎn)生極端的條件[2]．超聲空化現(xiàn)象的復(fù)雜性和時(shí)空異變性，使其成為一個(gè)研究熱點(diǎn)．超聲空化可分為穩(wěn)態(tài)空化和瞬態(tài)空化[3-4]．對(duì)超聲空化強(qiáng)度進(jìn)行定性和定量測(cè)量，探索影響空化強(qiáng)度的參數(shù)，對(duì)于推動(dòng)超聲化學(xué)技術(shù)向前發(fā)展具有重要意義．

許多文獻(xiàn)報(bào)道了利用高速攝影、聲致發(fā)光等直接觀察空化氣泡的方法[5-8]以及鋁箔腐蝕法等用以表征空化強(qiáng)度．然而，單純的觀測(cè)方法還不足以定量探索空化強(qiáng)度的影響因素．譜分析法是一種快速、有效的測(cè)量超聲空化強(qiáng)度的方法，可以實(shí)現(xiàn)包括穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)空化強(qiáng)度的測(cè)量[9-10]，因此本文采用了譜分析方法.

液體所獲得的來(lái)自超聲換能器的總能量為聲波能量與空化能量之和．聲波能量可以提高整體液體的溫度，從而提高液體的電導(dǎo)率．超聲時(shí)長(zhǎng)幾十分鐘時(shí)，溶液溫度可升高10～30 ℃，因此該部分對(duì)液體介質(zhì)電導(dǎo)率產(chǎn)生的影響不可忽略；另一方面，在超聲空化泡內(nèi)的高溫高壓極端條件下，水中溶解的N2和O2相互反應(yīng)產(chǎn)生NO，并進(jìn)一步氧化NO2．NO 和NO2在水中分別生成HNO2和HNO3，進(jìn)而電離產(chǎn)生H+、NO2-、NO3-，改變液體介質(zhì)的電導(dǎo)率[11]．另外研究表明，超聲空化還會(huì)產(chǎn)生羥基自由基，它也會(huì)改變液體的導(dǎo)電性[12-14]．因此，液體介質(zhì)電導(dǎo)率的變化由兩部分組成，一部分是由聲波能量導(dǎo)致的液體介質(zhì)整體溫度升高引起的，另一部分是由空化引起的．莫喜平等[11]探究了超聲作用下溶液的電導(dǎo)率的變化，并提出以此來(lái)表征空化強(qiáng)度的方法．該方法操作簡(jiǎn)單方便，不受反應(yīng)器形狀的限制．然而實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有考慮聲波能量導(dǎo)致的液體介質(zhì)整體溫度升高引起的電導(dǎo)率變化，因此實(shí)驗(yàn)測(cè)得的電導(dǎo)率理論上會(huì)偏大．

在設(shè)計(jì)和使用超聲反應(yīng)器時(shí)，為實(shí)現(xiàn)能量有效利用，需要在不同的換能器參數(shù)和反應(yīng)器條件下對(duì)超聲空化強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量．本文改進(jìn)了電導(dǎo)率法，并將其與譜分析法相結(jié)合，對(duì)不同超聲反應(yīng)器的空化強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)量和比較．此外，還探究了換能器頻率、超聲反應(yīng)器形狀、換能器位置和多頻相互作用對(duì)空化強(qiáng)度的影響．研究結(jié)果將為聲化學(xué)研究提供思路和建議．

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 譜分析法

在本實(shí)驗(yàn)中，使用水聽器(RESON 公司，型號(hào)TC4040)采集不同形狀超聲反應(yīng)器中的聲波信號(hào)．將水聽器浸于反應(yīng)器中軸線水面下3 cm 處，用數(shù)字示波器(GWINSTEK Electronic Industrial Co.，Ltd.，型號(hào)GDS3152)采集輸出信號(hào)，利用MATLAB 軟件進(jìn)行中值濾波與FTT 處理．實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集過(guò)程如圖1所示．

圖1 譜分析法示意Fig.1 Schematic of the spectral analysis method

1.2 改進(jìn)電導(dǎo)率法

該方法對(duì)電導(dǎo)率法進(jìn)行改進(jìn)，將液體介質(zhì)整體溫度升高引起的電導(dǎo)率變化考慮在內(nèi)．電導(dǎo)率變化的原因如圖2 所示．由于空化現(xiàn)象是一種具有時(shí)空異變性的隨機(jī)事件，本文采用了概率方法，從統(tǒng)計(jì)平均的觀點(diǎn)出發(fā)，可以假定每次空化事件所引起電導(dǎo)率增量是相同的．因此，空化引起的液體電導(dǎo)率增量與空化次數(shù)線性相關(guān)．經(jīng)過(guò)n 次空化事件后，液體的電導(dǎo)率[11]可以表示為

式中：0σ和σ分別指超聲前后液體介質(zhì)電導(dǎo)率；Tσ和Kn分別代表液體介質(zhì)整體溫度升高以及空化效應(yīng)引起的電導(dǎo)率增加量；K 是常數(shù)．定義為電導(dǎo)率變化率，式(2)表明電導(dǎo)率變化率與空化事件的數(shù)量n 成正比，可以用來(lái)表征空化強(qiáng)度．系數(shù)與液體介質(zhì)初始電導(dǎo)率成反比．可以看出，該公式不涉及反應(yīng)器的形狀參數(shù)，說(shuō)明改進(jìn)的電導(dǎo)率法不受反應(yīng)器幾何形狀的限制．另外，該公式不是針對(duì)特定液體介質(zhì)推導(dǎo)得出，因而對(duì)于不同的溶液體系都適用．

實(shí)驗(yàn)采用電導(dǎo)率儀(上海梅特勒-托利多儀器有限公司，S230)對(duì)超聲前后樣品的電導(dǎo)率進(jìn)行了測(cè)量．所有樣本測(cè)量3 次取平均值．實(shí)驗(yàn)中用到的液體介質(zhì)為去離子水和自來(lái)水．

圖2 電導(dǎo)率增加示意Fig.2 Schematic of the increment of electrical conductivity

1.3 熒光法

對(duì)苯二甲酸(TA)本身是無(wú)熒光的，但當(dāng)與超聲空化過(guò)程中生成OH·結(jié)合形成羥基對(duì)苯二甲酸(HTA)時(shí)，表現(xiàn)出強(qiáng)熒光性．因此可以利用TA 法測(cè)定空化強(qiáng)度．實(shí)驗(yàn)中采用去離子水制備TA 溶液．取2 mmol TA、5 mmol NaOH 和去離子水制備1 mol/L TA 溶液[15]．將120 mL 溶液置于錐形瓶中，超聲80 min，樣品溶液溫度保持在23～45 ℃．用日立F-2500 熒光分光光度計(jì)在310 nm 激發(fā)波長(zhǎng)、425 nm 發(fā)射波長(zhǎng)下測(cè)定樣品溶液的熒光強(qiáng)度．每10 min 取2 mL 溶液樣品置于暗環(huán)境中，超聲后2 h 內(nèi)測(cè)定熒光強(qiáng)度，用以表征空化強(qiáng)度．

1.4 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)中采用兩種不同形狀的超聲反應(yīng)器，具體尺寸和規(guī)格如圖3、圖4 所示．矩形反應(yīng)器底部對(duì)稱布置兩個(gè)直徑5 cm 的壓電換能器，如圖3 所示．該換能器可以提供20 kHz、50 kHz 和80 kHz 頻率．八角形反應(yīng)器的底部和側(cè)壁上分別布置3 對(duì)壓電換能器，如圖4 所示．實(shí)驗(yàn)中液位為80 mm．

實(shí)驗(yàn)中八角形反應(yīng)器3 對(duì)換能器1、2、3 的頻率分別為20、20、40 kHz．

圖3 矩形反應(yīng)器示意(單位：mm)Fig.3 Schematic of the rectangular reactor(unit：mm)

圖4 八角反應(yīng)器示意(單位：mm)Fig.4 Schematic of the octagonal reactor(unit：mm)

2 結(jié)果與討論

2.1 不同位置處空化頻譜的比較

圖5(a)～(d)表示矩形反應(yīng)器兩個(gè)位置和兩種超聲頻率下得到的空化頻譜．圖5(a)和圖5(c)給出了相同位置(位置 1：長(zhǎng) 120 mm，寬 70 mm，高50 mm)的空化頻譜，超聲頻率分別為 20 kHz 和50 kHz．圖5(b)和圖5(d)中，在另一個(gè)位置(位置2：沿?fù)Q能器軸線高度50 mm 處)進(jìn)行了相同的測(cè)試．對(duì)比圖5(a)和(b)可以發(fā)現(xiàn)，在基頻f0為20 kHz 時(shí)，不同位置的空化噪聲譜非常相似．兩位置處的2 次至8次諧波具有相同的性質(zhì)，且5 f0/2、7 f0/2 次諧波具有相似的量值．通過(guò)比較圖5(c)和(d)，發(fā)現(xiàn)超聲頻率為50 kHz 時(shí)，兩個(gè)譜圖都只有3 條諧波峰，且擬合曲線形狀相似，具有類似的規(guī)律．Frohly 等[16]提出，諧波譜是由穩(wěn)態(tài)空化泡在大于平衡半徑的范圍內(nèi)以固定頻率非線性振蕩而形成的，因此可以用諧波峰的大小以及次諧波或超諧波的形成來(lái)表征穩(wěn)態(tài)空化．劉麗艷等[17]指出，連續(xù)譜的擬合曲線可以用來(lái)表示瞬態(tài)空化，因?yàn)樾∮谄胶獍霃降乃矐B(tài)空化氣泡會(huì)破裂，從而產(chǎn)生噪聲，構(gòu)成連續(xù)譜．當(dāng)超聲頻率小于氣泡的共振頻率時(shí)，空化泡會(huì)發(fā)生潰滅．假設(shè)共振頻率為fh，氣泡半徑為R0，共振頻率與半徑的關(guān)系[10]可以表示為

式中：δ為液體的表面張力；p0為靜水壓力；γ為多方指數(shù)；ρ為液體密度．表面張力和密度是由液體決定的，為液體的物理性質(zhì)．

圖5 矩形反應(yīng)器不同位置和超聲頻率的空化噪聲譜Fig.5 Cavitation noise spectrum of the rectangular reactor at various locations and ultrasound frequencies

上述分析表明，超聲場(chǎng)不同位置的空化頻譜在固定超聲頻率下的形態(tài)和趨勢(shì)是相似的．對(duì)比圖5(a)和圖5(c)，以及圖5(b)和圖5(d)可以得出，超聲的頻率參數(shù)而非特定的位置影響空化頻譜．

2.2 不同超聲頻率對(duì)空化強(qiáng)度的影響

圖5(b)、圖5(d)和圖5(e)分別為矩形超聲反應(yīng)器中相同位置(2 號(hào)位置)的功率譜圖，頻率分別為20 kHz、50 kHz 和80 kHz．Frohly 等[16]提出超諧波現(xiàn)象的出現(xiàn)意味著更強(qiáng)的穩(wěn)態(tài)空化．在圖5 中，超諧波只出現(xiàn)在超聲頻率為20 kHz 時(shí)，這意味著在該頻率上出現(xiàn)了最強(qiáng)的穩(wěn)態(tài)空化．利用連續(xù)譜擬合曲線下面積的大小來(lái)估計(jì)瞬態(tài)空化能量．3 組超聲頻率下總空化能量中提取的瞬態(tài)空化能量如圖6 所示．圖6中的數(shù)據(jù)點(diǎn)是“瞬時(shí)值”，這是由以下原因引起的：采樣周期很短(以 μs 為單位)，因此數(shù)據(jù)點(diǎn)只能代表短時(shí)間內(nèi)的空化能量，相當(dāng)于“瞬間”．這種限制是由于高頻超聲場(chǎng)的性質(zhì)決定的(＞20 kHz)．根據(jù)采樣理論，為保證FTT 過(guò)程，采樣頻率至少為聲場(chǎng)頻率的2倍，即采樣頻率至少為40 kHz．受儀器和存儲(chǔ)的局限性，無(wú)法在80 min 內(nèi)持續(xù)采樣，因此圖6 只代表了“采樣瞬間”的空化能，而不是一段時(shí)間的累積效應(yīng)，所以呈現(xiàn)出不規(guī)則的趨勢(shì)．然而，如果考慮提取的空化能的數(shù)量級(jí)，仍然可以得到有價(jià)值的信息．在幾次取樣時(shí)間節(jié)點(diǎn)處，20 kHz 和50 kHz 超聲頻率的空化能數(shù)量級(jí)明顯低于80 kHz．由圖6 結(jié)果可以看出，在所選頻率范圍內(nèi)，瞬態(tài)空化強(qiáng)度隨超聲頻率增大而增大．一方面，氣泡的數(shù)量隨著頻率的增加而增加[18-19]，這可能意味著發(fā)生空化事件的概率更大．與此同時(shí)，由于氣泡生長(zhǎng)的時(shí)間間隔縮短，氣泡的大小也減小了．另一方面，式(3)給出了氣泡尺寸與共振頻率之間的關(guān)系．當(dāng)氣泡尺寸接近平衡半徑R0時(shí)，會(huì)發(fā)生穩(wěn)態(tài)空化；而當(dāng)氣泡尺寸小于R0時(shí)，會(huì)發(fā)生瞬態(tài)空化現(xiàn)象．在實(shí)驗(yàn)中，超聲頻率的增大使氣泡數(shù)量增多，減小了氣泡尺寸，為瞬態(tài)空化提供了較好的條件．

圖6 瞬態(tài)空化能量隨超聲頻率的變化Fig.6 Variation of the transient cavitation energy with the ultrasound frequency

利用測(cè)量空化強(qiáng)度常用的熒光法對(duì)改進(jìn)的電導(dǎo)率法進(jìn)行驗(yàn)證，以去離子水為液體介質(zhì)，熒光強(qiáng)度及電導(dǎo)率變化率隨超聲輻照時(shí)間和頻率的關(guān)系如圖7所示．不同于圖6 中的趨勢(shì)，改進(jìn)的電導(dǎo)率法和熒光法數(shù)據(jù)點(diǎn)呈現(xiàn)出隨超聲輻照時(shí)間而增大的規(guī)律性趨勢(shì)．改進(jìn)的電導(dǎo)率法和熒光法的數(shù)據(jù)點(diǎn)是累積值，因?yàn)檫@兩種方法量化了空化的化學(xué)效應(yīng)，這是一種“累積效應(yīng)”．每次空化事件都會(huì)增加電導(dǎo)率σ或熒光強(qiáng)度，導(dǎo)致測(cè)量值不斷增大．因此，兩種方法的測(cè)量值都是“累加值”，超聲頻率為20 kHz、50 kHz 和80 kHz 時(shí)，電導(dǎo)率隨超聲輻照時(shí)間的增加而增大．另外，相同采樣時(shí)間處電導(dǎo)率變化率隨超聲頻率的增加而增大．由于更高的電導(dǎo)率變化率表明存在更強(qiáng)的空化現(xiàn)象，因此在80 kHz 超聲頻率下測(cè)得最強(qiáng)空化強(qiáng)度．這一結(jié)果與用譜分析法觀察到的結(jié)果一致．超聲 40 min 后電導(dǎo)率的變化速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于最初的40 min. 其原因是當(dāng)超聲輻照時(shí)間達(dá)到40 min 時(shí)，液體表面晃動(dòng)更強(qiáng)烈，利于氮?dú)夂脱鯕庠谒腥芙獠⑾嗷シ磻?yīng)，使得電導(dǎo)率變化更快．熒光強(qiáng)度隨時(shí)間和超聲頻率的增大而增大，這與電導(dǎo)率法的結(jié)果一致．在Mason 等[20]的研究中，實(shí)驗(yàn)中超聲反應(yīng)器頻率為20 kHz、40 kHz 和60 kHz，用熒光法計(jì)算出空化效率分別為0.6、1.6 和2.7，空化效率隨超聲頻率增加，與本文中結(jié)果相對(duì)應(yīng)．

圖7 電導(dǎo)率變化率和熒光強(qiáng)度(FI)隨超聲輻照時(shí)間和頻率的變化(不同超聲頻率，去離子水為液體介質(zhì))Fig.7 Variation of the electrical conductivity change rate and fluorescence intensity(FI)with the ultrasound irradiation time and frequency(at different ultrasound frequencies，with DI water as the medium)

2.3 反應(yīng)器形狀對(duì)空化強(qiáng)度的影響

圖8 為八角形反應(yīng)器20 kHz 底部換能器工作時(shí)的空化頻譜，電導(dǎo)率測(cè)量位置為反應(yīng)器中心線50 mm處．對(duì)比圖5(a)和圖8，八角形反應(yīng)器超聲聲場(chǎng)的空化頻譜峰值面積大于矩形反應(yīng)器；隨著諧波階數(shù)的增加，其變化更為顯著．結(jié)果表明，八角形反應(yīng)器存在較強(qiáng)的穩(wěn)態(tài)空化現(xiàn)象．對(duì)比紅色的連續(xù)譜擬合曲線，矩形反應(yīng)器的連續(xù)譜面積遠(yuǎn)低于八角形反應(yīng)器．由于空化頻譜上連續(xù)譜擬合曲線下的面積是瞬態(tài)空化強(qiáng)度的指標(biāo)，說(shuō)明八角形反應(yīng)器中瞬態(tài)空化強(qiáng)度也高于矩形反應(yīng)器．八角形反應(yīng)器兩側(cè)壁的夾角為135°，大于矩形反應(yīng)器夾角90°，開放性更好，減少了矩形反應(yīng)器形狀而產(chǎn)生的空化死角，使反應(yīng)器內(nèi)空化強(qiáng)度提高．Romdhane 等[21]利用熱電偶對(duì)不同形狀超聲反應(yīng)器內(nèi)聲場(chǎng)強(qiáng)度的研究表明，相比于矩形反應(yīng)器，六角形反應(yīng)器內(nèi)部聲場(chǎng)強(qiáng)度分布更為均勻，有利于空化現(xiàn)象在反應(yīng)器內(nèi)更為均勻分布，而不是只集中在換能器附近．研究表明，換能器附近大量空化泡的聚集會(huì)使輸入液體的聲波散射到反應(yīng)器壁或反射回?fù)Q能器，削弱空化強(qiáng)度[22]．因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果中八角形反應(yīng)器空化強(qiáng)度較高．

圖8 八角形反應(yīng)器空化頻譜(20 kHz 底部換能器)Fig.8 Cavitation noise spectrum of the octagonal reactor(20 kHz bottom transducer)

以自來(lái)水為液體介質(zhì)，采用改進(jìn)的電導(dǎo)率法定量計(jì)算反應(yīng)器形狀對(duì)空化強(qiáng)度的影響，如圖9 所示，八角形反應(yīng)器的電導(dǎo)率變化率是矩形的近10 倍，說(shuō)明空化強(qiáng)度更強(qiáng)，與譜分析結(jié)果一致．根據(jù)式(2)可以得出，初始電導(dǎo)率0σ與電導(dǎo)率變化率成反比，因此初始電導(dǎo)率越高，電導(dǎo)率變化率數(shù)值越低．由于自來(lái)水中含有Cl-、Ca2+、Mg2+等離子，初始電導(dǎo)率較高，自來(lái)水電導(dǎo)率變化率明顯小于圖7 中去離子水電導(dǎo)率變化率．因此在比較不同條件下空化強(qiáng)度時(shí)需要保證所用液體介質(zhì)的一致性．另外根據(jù)圖9 可以觀察到，八角形反應(yīng)器在超聲20 min 后電導(dǎo)率變化率雖仍在增加，但趨勢(shì)開始放緩；而且矩形反應(yīng)器在60 min 時(shí)也出現(xiàn)增速降低的趨勢(shì)．類似的趨勢(shì)在其他研究中也可以得到驗(yàn)證．在Gogate 等[22]利用超聲降解甲酸的實(shí)驗(yàn)中，同樣觀察到了降解速率隨著超聲時(shí)間延長(zhǎng)而放緩的現(xiàn)象．這種放緩的趨勢(shì)是由液體中溶解氣體含量的減少引起的．液體介質(zhì)中溶解的微小氣泡可以作為空化核引發(fā)空化現(xiàn)象[23]，由于超聲具有脫氣的作用，因此隨著超聲時(shí)間的延長(zhǎng)，液體中溶解的氣體將減少，使空化現(xiàn)象減弱，從而導(dǎo)致圖9 中電導(dǎo)率變化率增速降低的現(xiàn)象．

圖9 電導(dǎo)率變化率隨超聲輻照時(shí)間的變化(不同形狀超聲反應(yīng)器，自來(lái)水為液體介質(zhì))Fig.9 Variation of the electrical conductivity change rate with the ultrasound irradiation time(in different shaped sonochemical reactors，with tap water as medium)

2.4 換能器布置對(duì)空化強(qiáng)度的影響

圖10 表示八角形反應(yīng)器側(cè)壁換能器工作時(shí)的空化頻譜．圖10 和圖8 相比，換能器布置在側(cè)壁時(shí)的連續(xù)譜紅色擬合曲線略高于布置在底部時(shí)的擬合曲線，說(shuō)明換能器布置在側(cè)壁時(shí)的瞬態(tài)空化現(xiàn)象略強(qiáng)．顯然，圖10 中出現(xiàn)了像f0/2 這樣的次諧波和像3 f0/2 這樣的超諧波，說(shuō)明換能器置于側(cè)壁上時(shí)，穩(wěn)態(tài)空化現(xiàn)象明顯增強(qiáng)．這兩種空化的增量是不同的．原因是超聲輸入頻率是影響瞬態(tài)空化強(qiáng)度的關(guān)鍵因素[16]．因此，在相同的超聲頻率下，瞬態(tài)空化強(qiáng)度僅略有不同．然而，非線性振動(dòng)是穩(wěn)態(tài)空化的指標(biāo)，其受駐波的影響較大．當(dāng)換能器布置在底部時(shí)，聲波主要沿軸向傳播，在水與空氣之間的柔性界面發(fā)生反射．當(dāng)換能器布置在側(cè)壁上時(shí)，超聲主要沿徑向傳播，在側(cè)壁剛性界面處反射．由于壓力驟降，柔性界面必須是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，因此更容易形成駐波．駐波場(chǎng)中氣泡的聚集對(duì)空化產(chǎn)生了不利的影響[24]．在Zhang等[25]的研究中，由于底部換能器激勵(lì)的引入，產(chǎn)生了駐波，使得鋁箔受到更嚴(yán)重的非均勻腐蝕．駐波的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的空化強(qiáng)度不均勻現(xiàn)象發(fā)生，而對(duì)于超聲在清洗、聲化學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用，需要提供均勻的空化強(qiáng)度，因此駐波對(duì)于空化過(guò)程是不利的．上述結(jié)果表明剛性界面反射優(yōu)于柔性界面反射，布置在側(cè)壁時(shí)為較優(yōu)的反應(yīng)條件．

圖10 八角形反應(yīng)器空化頻譜(20 kHz 側(cè)壁換能器)Fig.10 Cavitation noise spectrum of the octagonal reactor(20 kHz sidewall transducer)

2.5 多頻聲場(chǎng)對(duì)空化強(qiáng)度的影響

同時(shí)使用20 kHz 和40 kHz 側(cè)壁換能器(組合1，20 kHz+40 kHz 側(cè)壁換能器)時(shí)的空化頻譜如圖11(a)所示．使用20 kHz 和40 kHz 時(shí)，高次諧波的峰值高度和面積均比單獨(dú)使用20 kHz 時(shí)有所增加，這表明穩(wěn)態(tài)空化強(qiáng)度變得更強(qiáng)．同時(shí)，連續(xù)譜紅色擬合曲線的最大值和面積突然顯著增大，意味著瞬態(tài)空化強(qiáng)度急劇增強(qiáng)．多頻強(qiáng)化空化的結(jié)果可以在其他類似的研究中得到證實(shí)．Ye 等[26]的仿真結(jié)果表明，在50 kHz+70 kHz 雙頻超聲下，氣泡振蕩更加不穩(wěn)定，氣泡的破裂速度加快．最大氣泡半徑和壓力均大于單個(gè)頻率．Feng 等[27]認(rèn)為，低頻超聲產(chǎn)生的空化泡的破裂不僅可以為自身提供新的空化核，還可以為其他頻率的超聲提供新的空化核．此外，不同頻率的組合可能在更大氣泡半徑范圍內(nèi)引發(fā)空化現(xiàn)象．圖11(b)表示同一反應(yīng)器中另一對(duì)20 kHz 底部換能器同時(shí)使用時(shí)的空化噪聲譜(組合2，20 kHz+40 kHz側(cè)壁換能器+20 kHz 底部換能器)．圖11(a)和圖11(b)相比，穩(wěn)態(tài)空化和瞬態(tài)空化強(qiáng)度僅有少量增加．由于原超聲場(chǎng)中已經(jīng)存在20 kHz 的頻率，所以增加相同的頻率對(duì)整個(gè)系統(tǒng)空化的增強(qiáng)作用較弱．由于組合2 比組合1 多了一對(duì)20 kHz 底部換能器，相當(dāng)于組合2 中有更多超聲能量輸入，即系統(tǒng)中“輸入功率增加”，因此，與超聲功率相比，多頻之間的相互作用對(duì)空化強(qiáng)度的影響更為重要．

圖11 八角形反應(yīng)器不同位置處換能器工作時(shí)的空化頻譜Fig.11 Cavitation noise spectra of various transducers in the octagonal reactor

3 結(jié) 論

在本研究中，通過(guò)扣除聲波能量引起的溫度升高的影響，提出了改進(jìn)的電導(dǎo)率法．將改進(jìn)的電導(dǎo)率法結(jié)合頻譜分析法測(cè)量超聲空化強(qiáng)度，并利用熒光法對(duì)提出方法進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果具有良好的一致性．為了找出空化強(qiáng)度的影響因素，對(duì)兩種不同形狀的反應(yīng)器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究．在特定位置測(cè)量了空化頻譜，研究了空化的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)特性．結(jié)論如下．

(1) 在相同超聲頻率下，不同位置的空化頻譜的形態(tài)和趨勢(shì)是相似的．在20～80 kHz 的低頻范圍內(nèi)，超聲頻率越高，空化強(qiáng)度越大．

(2) 研究了反應(yīng)器形狀對(duì)空化強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，八邊形反應(yīng)器的空化強(qiáng)度明顯增強(qiáng)．當(dāng)換能器置于反應(yīng)器側(cè)壁上時(shí)，其空化強(qiáng)度較底壁上換能器強(qiáng).

(3) 多頻率間的相互作用比輸入功率對(duì)空化強(qiáng)度的增強(qiáng)作用更明顯．

(4) 本實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，單頻矩形反應(yīng)器空化強(qiáng)度最好運(yùn)行條件為80 kHz，八角形反應(yīng)器最好空化強(qiáng)度條件為側(cè)壁布置多頻換能器．