吳博悅 陳 毅 李建成

(杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所 杭州 310023)

0 引言

超聲清洗機(jī)誕生于20 世紀(jì)50年代初的日本，歷經(jīng)數(shù)十年，現(xiàn)已發(fā)展應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，成為其中重要的組成部分[1]。超聲清洗的優(yōu)點(diǎn)很多，如速度快、質(zhì)量高，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等。它可以降低污物造成的傷害，減少污物與工作人員的接觸；尤其是對(duì)于精密工件上的凹槽、狹縫、微孔及暗洞等傳統(tǒng)的洗刷方法難以有效清洗的部位，超聲清洗則有非常理想的效果[2]。

超聲清洗過程中，其關(guān)鍵在于空化效應(yīng)，但不能忽視空化腐蝕。因此，對(duì)超聲清洗槽內(nèi)空化強(qiáng)度進(jìn)行準(zhǔn)確、定量的測(cè)量就顯得非常重要。對(duì)于空化強(qiáng)度的測(cè)量，研究人員多年來已利用空化的各種特點(diǎn)與性質(zhì)，應(yīng)用了如鋁箔侵蝕法、碘滴定法、空化噪聲譜分析法、聲致發(fā)光法以及圖像處理法等多種方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量與研究[3?6]。空化噪聲是由于在發(fā)生空化時(shí)，空化泡的線性與非線性脈動(dòng)，空化泡的形成與破滅，以及空化泡之間的相互作用等因素而產(chǎn)生的，始終伴隨著空化過程。測(cè)量空化噪聲，可以得到其中關(guān)于空化過程中大量的信息，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

其中，對(duì)于空化噪聲，各國(guó)研究人員開展了一系列的研究。1956年，Holak[7]在ORL 消聲箱和物理實(shí)驗(yàn)室水槽中，用Massa 115A 和一個(gè)Allen Spencer 探針?biāo)犉鬟M(jìn)行了空化噪聲測(cè)量。他分析了90 kHz～2 MHz頻率范圍內(nèi)的空化噪聲；觀察到除了寬帶噪聲外的驅(qū)動(dòng)頻率的諧波和次諧波成分；給出了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合的空化氣泡增長(zhǎng)和衰減的表達(dá)式；計(jì)算得驅(qū)動(dòng)頻率及其諧波處出現(xiàn)的能量比寬帶頻譜中的能量更多。2000年，F(xiàn)rohly 等[8]研究了超聲空化中空化噪聲和空化強(qiáng)度的關(guān)系，在不同的超聲功率下分別用空化噪聲諧波及高次諧波的功率譜和連續(xù)譜的功率譜來表示空化強(qiáng)度。2005年，Sobotta 等[9]對(duì)超聲清洗設(shè)備的空化噪聲進(jìn)行了測(cè)量，分析了空化噪聲譜，研究了驅(qū)動(dòng)超聲頻率f0處的聲壓在不同換能器表面聲強(qiáng)時(shí)的變化情況。2014年，Hertz-Eichenrode等[10]測(cè)量了空化噪聲信號(hào)頻譜的“顏色”，確定了各諧波頻段的噪聲級(jí)與聲強(qiáng)對(duì)數(shù)之間的線性度；并且通過空化噪聲的測(cè)量，測(cè)量了瞬態(tài)空化閾值。2017年，K?chel 等[11]研究了對(duì)空化噪聲譜的數(shù)字信號(hào)處理方法。2019年，文獻(xiàn)[12]制定了用空化噪聲級(jí)LCN和提取空化噪聲譜分量獲得空化噪聲各個(gè)部分的分量來表示超聲清洗槽中的空化強(qiáng)度。

本文利用空化噪聲譜分析法，進(jìn)行了超聲清洗裝置和超聲清洗槽的空化噪聲測(cè)量實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)較好地驗(yàn)證了利用空化噪聲級(jí)來判斷空化閾值和衡量空化強(qiáng)度的可行性；同時(shí)，研究了超聲清洗裝置和超聲清洗槽內(nèi)空化的分布情況，兩者具有較大的差異。

1 空化噪聲譜分析法

超聲清洗利用超聲引發(fā)空化效應(yīng)，以此來達(dá)到清洗的目的。在發(fā)生瞬態(tài)空化時(shí)，氣泡坍塌潰滅，同時(shí)產(chǎn)生的射流和沖擊波作用于物體需要清潔的表面[13]。然而，空化的機(jī)械效應(yīng)并不容易測(cè)量。因此，可以借助氣泡非線性脈動(dòng)及潰滅產(chǎn)生的噪聲，定義空化噪聲級(jí)來評(píng)估空化強(qiáng)度。

將水聽器固定于運(yùn)動(dòng)控制裝置上，在運(yùn)動(dòng)裝置的帶動(dòng)下，按曲折的路徑緩慢通過清洗槽，期間連續(xù)測(cè)量清洗槽中的聲信號(hào)。采集信號(hào)后，用窗函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)，并將加權(quán)數(shù)據(jù)分別做快速傅里葉變換(Fast Fourier transform, FFT)。接著，計(jì)算這些由FFT得到的空化噪聲譜的幅值均值的平方，相當(dāng)于求了功率譜。取與空化相對(duì)應(yīng)的諧波聲壓均值的平方，即。該值與參考聲壓pref的平方的比值取對(duì)數(shù)，得到空化噪聲級(jí)為[12]

如圖1(a)所示在超聲清洗設(shè)備中，低頻諧波0.25× f0(f0為超聲清洗換能器的諧振頻率)的噪聲級(jí)很低，與聲強(qiáng)的對(duì)數(shù)不成正比，而且空化閾值的位置也無法明顯看出。在這些頻率下，聲波的半波長(zhǎng)也明顯大于清洗槽的尺寸。在頻帶為(2.25±0.1)×f0和(4.25±0.1)×f0時(shí)，空化閾值以上的噪聲級(jí)與聲強(qiáng)的對(duì)數(shù)成正比。在高頻段(8.25±0.1)×f0和(16.25±0.1)×f0中，噪聲級(jí)并不完全遵循函數(shù)1 和函數(shù)4(函數(shù)1 與函數(shù)4 分別為擬合的n/4 倍諧波曲線在瞬態(tài)空化前后的變化趨勢(shì)函數(shù))。同時(shí)，在(2.25±0.1)×f0的頻段內(nèi)干擾較少，故需選擇測(cè)量中心頻率fc= 2.25×f0處的噪聲聲壓作為計(jì)算瞬態(tài)空化噪聲級(jí)的聲壓。通過對(duì)超聲清洗換能器的實(shí)際測(cè)量(超聲換能器基頻f0為24 kHz)，得到n/4 倍諧波噪聲級(jí)情況與文獻(xiàn)[10]中相同(函數(shù)a與函數(shù)b同圖1(a)中的函數(shù)1與函數(shù)4)。

圖1 n/4 倍諧波噪聲級(jí)變化曲線Fig.1 The n/4 times harmonic noise level variation curve

IEC/TS 63001 標(biāo)準(zhǔn)中，采用單水聽器運(yùn)動(dòng)測(cè)量，計(jì)算得2.25 倍諧波的諧波噪聲級(jí)，并由此可得瞬態(tài)空化閾值，以其大于瞬態(tài)空化閾值的部分作為瞬態(tài)空化強(qiáng)度的衡量標(biāo)準(zhǔn)[12]。

Lauterforn 等[14]用n/2 倍諧波的出現(xiàn)作為判斷液體穩(wěn)態(tài)空化起始的標(biāo)準(zhǔn)，文中測(cè)得n/2 倍諧波的變化如圖2(a)所示。通過對(duì)超聲換能器的實(shí)際測(cè)量(超聲換能器基頻f0為24 kHz)，得到n/2 倍諧波噪聲級(jí)變化如圖2(b)所示。由于1/2倍諧波噪聲級(jí)變化曲線在發(fā)生穩(wěn)態(tài)空化后有長(zhǎng)期下降階段，不利于對(duì)穩(wěn)態(tài)空化的表示，而在其他測(cè)量的n/2 諧波噪聲級(jí)中，2.5倍諧波噪聲級(jí)幅值最高，因此可選用2.5倍諧波噪聲級(jí)表示穩(wěn)態(tài)空化強(qiáng)度。

圖2 n/2 倍諧波變化曲線Fig.2 The n/2 times harmonic noise level variation curve

由于超聲清洗換能器實(shí)際測(cè)量時(shí)，于2.5 倍諧波出現(xiàn)時(shí)觀察到長(zhǎng)時(shí)間存在脈動(dòng)氣泡，對(duì)應(yīng)穩(wěn)態(tài)空化；于2.25 倍諧波在函數(shù)a 與函數(shù)b 的焦點(diǎn)處觀察到氣泡云，對(duì)應(yīng)瞬態(tài)空化，因此，設(shè)2.5 倍諧波噪聲級(jí)LCN-2.5為穩(wěn)態(tài)空化噪聲級(jí)，2.25倍諧波噪聲級(jí)LCN-2.25為瞬態(tài)空化噪聲級(jí)，以及表示穩(wěn)態(tài)空化強(qiáng)度與瞬態(tài)空化強(qiáng)度。通常取pref=1 μPa。

2 測(cè)量系統(tǒng)的建立

2.1 測(cè)量對(duì)象

超聲清洗換能器由杭州瑞利超聲科技有限公司生產(chǎn)，內(nèi)含有8 個(gè)超聲振子，其尺寸(D×H)為59 mm×80 mm，以2×4 的排列結(jié)構(gòu)封裝于矩形盒內(nèi)，如圖3(a)、圖3(b)所示，超聲振子橫向間隔85 mm，縱向間隔80 mm，均勻分布于封裝之內(nèi)。超聲清洗換能器諧振頻率為24 kHz，長(zhǎng)35 cm，寬17.5 cm，高10 cm，最大輸出功率2000 W。該超聲清洗換能器可置于尺寸大于自身的水槽中，而后在水槽中加入足量的水進(jìn)行超聲清洗。

超聲清洗槽底部焊有6 個(gè)超聲振子，其尺寸(D×H)為45 mm×45 mm，如圖3(c)、圖3(d)所示，中心超聲振子A 位于清洗槽中心位置，其余超聲振子位置于圖3(d)中標(biāo)出。超聲清洗槽諧振頻率為41 kHz，長(zhǎng)40 cm，寬30 cm，高25 cm。由于在水槽底部直接焊接超聲振子，因此可在清洗槽中直接加水進(jìn)行超聲清洗。

圖3 超聲清洗換能器與超聲清洗槽Fig.3 Ultrasonic cleaning transducer and ultrasonic cleaning bath

2.2 測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)上述原理，設(shè)計(jì)了空化噪聲級(jí)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)。由于超聲清洗換能器需置于大于自身尺寸的水槽中進(jìn)行清洗，因此選擇了某實(shí)驗(yàn)水槽作為超聲清洗水槽，其長(zhǎng)113 cm、寬68 cm、深77 cm，上方有運(yùn)動(dòng)控制裝置，可以按需求，控制電機(jī)帶動(dòng)水聽器在水槽中運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)設(shè)置水深40 cm。在本文中，為說敘述方便，稱8 個(gè)振子的水槽為超聲清洗裝置，6 個(gè)振子的水槽為超聲清洗槽。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖4所示。

圖4 超聲清洗裝置實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of ultrasonic cleaning device test system

超聲清洗槽長(zhǎng)40 cm、寬30 cm、深25 cm，將其置于運(yùn)動(dòng)控制裝置運(yùn)動(dòng)范圍之內(nèi)，仍由控制電機(jī)帶動(dòng)水聽器在水槽中運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)設(shè)置水深20 cm。其測(cè)量系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 超聲清洗槽實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of ultrasonic cleaning bath test system

測(cè)量系統(tǒng)中，發(fā)射端由信號(hào)源、功率放大器與超聲換能器、超聲清洗槽組成。其中功率放大器為HD-PA0830-6000 型，連續(xù)波輸出最大功率為2000 W，脈沖輸出最大功率為6000 W。信號(hào)源為KEYSIGHT 33600A型。

接收端由水聽器、采集卡與示波器組成。水聽器為RHS-5 水聽器，靈敏度約為?218 dB(參考靈敏度為1 V/μPa)。采集卡為National Instruments的PXI-6368。示波器為Keysight DSOX3014A 型，最大采樣率為5 GSa/s。

2.3 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

多維運(yùn)動(dòng)定位機(jī)構(gòu)包括兩套獨(dú)立的x、y、z、θ復(fù)合運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及其配套控制器。每套運(yùn)動(dòng)定位機(jī)構(gòu)由縱向(y坐標(biāo))、橫向(x坐標(biāo))、升降(z坐標(biāo))三維直線和回轉(zhuǎn)(θ坐標(biāo))運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。兩套運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的x、z和θ機(jī)構(gòu)均能手動(dòng)和電動(dòng)控制。y運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)一套為全手動(dòng)控制，一套為手動(dòng)和電動(dòng)控制。計(jì)算機(jī)通過串行接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)多維運(yùn)動(dòng)定位機(jī)構(gòu)各個(gè)維度的掃描運(yùn)動(dòng)和定位控制。為方便說明測(cè)試平面、運(yùn)動(dòng)軌跡的確切位置，首先對(duì)超聲清洗裝置構(gòu)建三維直角坐標(biāo)系，如圖6所示。

圖6 超聲清洗實(shí)驗(yàn)裝置坐標(biāo)Fig.6 Coordinate diagram of ultrasonic cleaning test device

坐標(biāo)系每個(gè)單元對(duì)應(yīng)實(shí)際長(zhǎng)度為1 mm。根據(jù)運(yùn)動(dòng)裝置的原始設(shè)定坐標(biāo)系的x、y和z軸，即：水槽的寬方向?yàn)閤軸，總長(zhǎng)68 cm，范圍為?340～340；水槽的長(zhǎng)方向?yàn)閥軸，總長(zhǎng)113 cm，范圍為?565～565；豎直方向?yàn)閦軸，換能器上方部分長(zhǎng)30 cm，范圍為0～300，加上豎直方向其他部分，總長(zhǎng)40 cm，范圍則為?100～300。

由運(yùn)動(dòng)裝置帶動(dòng)水聽器，于距換能器12.5 cm處的xOy面，選擇y= 0，x=?50～50；y=?30，x=?50～50；y=?60，x=?50～50；x=?50，y=?60～0；x= 0，y=?60～0 和x= 50，y=?60～0 共6 條線段組成的田字作為測(cè)量水聽器的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖7 所示。水聽器的運(yùn)動(dòng)速度為5 mm/s。

圖7 水聽器運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖Fig.7 Schematic diagram of motion track of hydrophone

對(duì)超聲清洗槽構(gòu)建三維直角坐標(biāo)系，與超聲清洗裝置相似，坐標(biāo)系每個(gè)單元對(duì)應(yīng)實(shí)際長(zhǎng)度為1 mm，以超聲清洗槽底面中心位置為原點(diǎn)，超聲清洗槽長(zhǎng)方向?yàn)閤軸，總長(zhǎng)40 cm，范圍為?200～200；超聲清洗槽寬方向?yàn)閥軸，總長(zhǎng)30 cm，范圍為?150～150；豎直方向?yàn)閦軸，水深20 cm，范圍為0～200。

3 測(cè)量實(shí)驗(yàn)

3.1 超聲清洗裝置測(cè)量實(shí)驗(yàn)

3.1.1 單點(diǎn)測(cè)量

由于運(yùn)動(dòng)測(cè)量相對(duì)耗時(shí)，故而先選用單點(diǎn)測(cè)量對(duì)水槽內(nèi)的空化閾值，以及觀察隨著輸入功率的增加，換能器工作特性的變化。

根據(jù)換能器測(cè)得的聲場(chǎng)分布所知，選擇換能器表面上方12.5 cm處xOy面的中心位置作為測(cè)量點(diǎn)。功率放大器的阻抗分為6 擋，通過調(diào)節(jié)信號(hào)源輸入電壓來調(diào)節(jié)輸入換能器的功率。

測(cè)量時(shí)，固定水聽器于選定位置，將功率放大器與換能器阻抗匹配測(cè)驗(yàn)；由示波器監(jiān)視功率放大器輸出電壓、電流及電壓電流之間的相角，按5 mV或10 mV的步長(zhǎng)從小到大增加換能器輸出電壓。數(shù)據(jù)處理流程圖和測(cè)量結(jié)果如圖8與圖9所示。

圖8 數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.8 Data processing flow chart

圖9 單點(diǎn)測(cè)量超聲清洗裝置基頻及諧波噪聲級(jí)曲線Fig.9 Single point measurement of fundamental frequency and harmonic noise level curve of ultrasonic cleaning device

圖9中，黑色曲線為基頻聲壓級(jí)，在242.4 W以前具有較好的線性度，之后不再增加，換能器開始進(jìn)入非線性工作狀態(tài)。藍(lán)色曲線為2.5 倍諧波噪聲級(jí)，紅色曲線為2.25 倍諧波噪聲級(jí)。2.5 倍諧波從42.44 W左右開始大幅增長(zhǎng)，根據(jù)前文所述理論，此時(shí)穩(wěn)態(tài)空化出現(xiàn)；至76.25 W左右之后趨于平穩(wěn)，呈緩慢增長(zhǎng)狀態(tài)，穩(wěn)態(tài)空化接近飽和。2.25 倍諧波在50.97 W 出現(xiàn)開始大幅增長(zhǎng)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)在157.8 W 左右出現(xiàn)，其增長(zhǎng)速率明顯下降，根據(jù)前文所述理論，此時(shí)瞬態(tài)空化出現(xiàn)。瞬態(tài)空化閾值對(duì)應(yīng)的瞬態(tài)空化噪聲級(jí)約為37.81 dB。在換能器輸入電功率超過660 W 后，由于強(qiáng)瞬態(tài)空化與換能器嚴(yán)重非線性工作，測(cè)量值出現(xiàn)嚴(yán)重波動(dòng)。

3.1.2 運(yùn)動(dòng)測(cè)量

由單點(diǎn)測(cè)量結(jié)果可知，應(yīng)當(dāng)特別關(guān)注40～70 W、120～200 W和350 W至最高輸出功率的輸入電功率段。由于設(shè)備原因，本次實(shí)驗(yàn)超聲換能器輸入功率最高只能達(dá)到550 W。測(cè)得結(jié)果如圖10所示。

圖10 超聲清洗裝置運(yùn)動(dòng)測(cè)量諧波噪聲級(jí)曲線Fig.10 Harmonic noise level curve of motion measurement of ultrasonic cleaning device

圖10 中，藍(lán)色曲線為2.5 倍諧波噪聲級(jí)，紅色曲線為2.25 倍諧波噪聲級(jí)。2.5 倍諧波從67.26 W左右開始大幅增長(zhǎng)，穩(wěn)態(tài)空化出現(xiàn)；至216.6 W 左右之后趨于平穩(wěn)，呈緩慢增長(zhǎng)狀態(tài)。2.25 倍諧波在184.7 W 出現(xiàn)開始大幅增長(zhǎng)，增長(zhǎng)至342.1 W 出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，其增長(zhǎng)速率明顯下降，瞬態(tài)空化由此開始。與單點(diǎn)測(cè)量比較，2.5倍諧波出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的輸入電功率相差約20 W，而2.25倍諧波轉(zhuǎn)折點(diǎn)(瞬態(tài)空化閾值)對(duì)應(yīng)的輸入電功率則相差更多，近200 W。

為進(jìn)一步了解偏差的來源，取運(yùn)動(dòng)測(cè)量的運(yùn)動(dòng)路徑中x方向和y方向的一段做空化分布分析。以水聽器1 s運(yùn)動(dòng)的小段位移為微元，求不同輸入電功率下各微元的諧波噪聲級(jí)，結(jié)果如圖11所示。

圖11橫坐標(biāo)為線段上微元的位置；縱坐標(biāo)為換能器輸入電功率，自上而下功率依次增大；顏色由冷至暖，代表諧波噪聲級(jí)的由小到大。由圖11可知，在超聲清洗裝置的分析線段上，2.5倍諧波先于中間位置出現(xiàn)，表示穩(wěn)態(tài)空化先于中間位置發(fā)生，又于某個(gè)時(shí)刻布滿整條線段；2.25 倍諧波表示的瞬態(tài)空化同樣先發(fā)生于換能器中間位置，但隨著輸入電功率不斷增加，其空化位置相對(duì)集中于中間位置。

圖11 超聲清洗裝置12.5 cm 處x=?50 ～50，y =0 線段與x=0，y =?60 ～0 線段上諧波噪聲級(jí)分布圖Fig.11 Distribution diagram of harmonic noise level on section x = ?50 ～50, y = 0 and section x = 0,y =?60 ～0 at 12.5 cm of ultrasonic cleaning device

穩(wěn)態(tài)空化由中間位置開始，隨輸入電功率的增加很快廣泛分布于液體介質(zhì)中，分布相對(duì)較為平均。此時(shí)空間平均之后的2.5 倍諧波噪聲級(jí)與單點(diǎn)測(cè)量結(jié)果相近，并且空間平均更有利于反映超聲清洗裝置內(nèi)穩(wěn)態(tài)空化的整體情況。而瞬態(tài)空化發(fā)生的位置相對(duì)集中于某一小區(qū)域，微元測(cè)得的大值淹沒于空間平均之中，因此兩者測(cè)量結(jié)果相差較大。

3.2 超聲清洗槽測(cè)量實(shí)驗(yàn)

對(duì)于超聲清洗槽，根據(jù)測(cè)得的清洗槽中心垂直聲場(chǎng)分布，選取清洗槽底面中心位置，z=20處作為運(yùn)動(dòng)軌跡平面。運(yùn)動(dòng)軌跡為x=?120～120，y=0與x=0，y=?70～70兩條呈十字交叉的線段。測(cè)量結(jié)果如圖12所示。

圖12中，藍(lán)色曲線為2.5倍諧波噪聲級(jí)，紅色曲線為2.25 倍諧波噪聲級(jí)。2.5 倍諧波從0.1819 W 左右開始大幅增長(zhǎng)，此時(shí)穩(wěn)態(tài)空化出現(xiàn)；至1.266 W左右之后趨于平穩(wěn)，呈緩慢增長(zhǎng)狀態(tài)，穩(wěn)態(tài)空化接近飽和。2.25 倍諧波在0.4408 W 出現(xiàn)開始大幅增長(zhǎng)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)在5.219 W 左右出現(xiàn)，其增長(zhǎng)速率明顯下降，此時(shí)瞬態(tài)空化出現(xiàn)。瞬態(tài)空化閾值對(duì)應(yīng)的瞬態(tài)空化噪聲級(jí)約為31.21 dB。

圖12 超聲清洗槽諧波噪聲級(jí)曲線Fig.12 Harmonic noise level curve of ultrasonic cleaning bath

取運(yùn)動(dòng)測(cè)量的運(yùn)動(dòng)路徑中x方向和y方向的一段做空化分布分析。以水聽器1 s 運(yùn)動(dòng)的小段位移為微元，求不同輸入電功率下各微元的諧波噪聲級(jí)，結(jié)果如圖13所示。

圖13 超聲清洗槽x=?120 ～120，y =0 線段與x=0，y =?70 ～70 線段上諧波噪聲級(jí)分布圖Fig.13 Distribution diagram of harmonic noise level on x=?120 ～120, y =0 section and x=0, y =?70 ～70 section of ultrasonic cleaning device bath

圖13橫坐標(biāo)為線段上微元的位置；縱坐標(biāo)為換能器輸入電功率，自上而下功率依次增大；顏色由冷至暖，代表諧波噪聲級(jí)的由小到大。由圖13可知，在超聲清洗槽的分析線段上，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)空化和瞬態(tài)空化閾值后，2.5倍諧波表示的穩(wěn)態(tài)空化與2.25倍諧波表示的瞬態(tài)空化均勻的分布于分析線段上，穩(wěn)態(tài)空化相比瞬態(tài)空化更為密集。此時(shí)，空間平均的空化噪聲級(jí)可以較好地表示超聲清洗槽中的空化強(qiáng)度。

4 討論與結(jié)論

在超聲清洗裝置的聲場(chǎng)環(huán)境下，由于穩(wěn)態(tài)空化分布廣泛，運(yùn)動(dòng)測(cè)量的空間平均值可以說明清洗槽內(nèi)整體的穩(wěn)態(tài)空化強(qiáng)度；但如果要追溯穩(wěn)態(tài)空化的起始，則需從空化分布圖中尋找率先出現(xiàn)2.5 倍諧波噪聲級(jí)的位置，此時(shí)，水聽器的運(yùn)動(dòng)軌跡選擇至關(guān)重要。由于瞬態(tài)空化分布集中，運(yùn)動(dòng)測(cè)量時(shí)會(huì)使瞬態(tài)空化起始時(shí)少量的瞬態(tài)空化信號(hào)湮沒在空間平均之中。因此，無法使用隨機(jī)的空間平均說明清洗槽內(nèi)整體的瞬態(tài)空化強(qiáng)度，應(yīng)在瞬態(tài)空化集中區(qū)域進(jìn)行測(cè)量。同樣，在瞬態(tài)空化測(cè)量時(shí)水聽器測(cè)量位置的選擇至關(guān)重要。本文是根據(jù)超聲清洗裝置內(nèi)抽取的幾個(gè)平面的聲場(chǎng)分布來選擇測(cè)量位置與運(yùn)動(dòng)軌跡。對(duì)水聽器測(cè)量位置與運(yùn)動(dòng)軌跡的其他選擇依據(jù)與方法需在進(jìn)一步研究中進(jìn)行。

在超聲清洗槽的聲場(chǎng)環(huán)境中，測(cè)量曲線各個(gè)變化環(huán)節(jié)分界點(diǎn)明顯，穩(wěn)態(tài)空化與瞬態(tài)空化都分布均勻，空間平均能較好地說明清洗槽內(nèi)整體的穩(wěn)態(tài)空化與瞬態(tài)空化狀況。在該環(huán)境下，計(jì)算空間平均得到的空化噪聲級(jí)能較好地表示空化強(qiáng)度。

本文測(cè)量空化分布實(shí)驗(yàn)中，如果水聽器在某位置的測(cè)量結(jié)果中出現(xiàn)2.5 倍諧波或2.25 倍諧波噪聲級(jí)大于瞬態(tài)空化閾值，則認(rèn)為水聽器測(cè)量點(diǎn)附近發(fā)生穩(wěn)態(tài)空化或瞬態(tài)空化。從結(jié)果來看，該方法有效。但對(duì)于穩(wěn)態(tài)空化時(shí)氣泡脈動(dòng)與瞬態(tài)空化時(shí)氣泡破滅產(chǎn)生的輻射噪聲，以及與水聽器測(cè)量的關(guān)系仍需進(jìn)一步研究。

通過本次實(shí)驗(yàn)研究可得以下結(jié)論：

(1)在不同的環(huán)境下，空化噪聲級(jí)都能較好的表示液體介質(zhì)中的空化強(qiáng)度(2.5 倍諧波噪聲級(jí)可以表示穩(wěn)態(tài)空化強(qiáng)度，2.25 倍諧波噪聲級(jí)可以表示瞬態(tài)空化強(qiáng)度)，不受換能器基頻f0影響。

(2)在超聲清洗裝置(超聲清洗換能器置于大于其自身尺寸的水槽中)環(huán)境下，由于穩(wěn)態(tài)空化分布廣泛，運(yùn)動(dòng)測(cè)量的空間平均值可以說明清洗槽內(nèi)整體的穩(wěn)態(tài)空化強(qiáng)度；瞬態(tài)空化分布集中，無法使用隨機(jī)的空間平均說明清洗槽內(nèi)整體的瞬態(tài)空化強(qiáng)度，應(yīng)在瞬態(tài)空化集中區(qū)域進(jìn)行測(cè)量。

(3)在超聲清洗裝置(超聲清洗換能器置于大于其自身尺寸的水槽中)環(huán)境下，水聽器空化噪聲譜分析法測(cè)量空化強(qiáng)度時(shí)，水聽器選取的測(cè)量位置、運(yùn)動(dòng)路徑對(duì)測(cè)量的影響效果較大。對(duì)水聽器測(cè)量位置與運(yùn)動(dòng)路徑的選擇也需要在后續(xù)的工作中進(jìn)一步研究。

(4)在超聲清洗槽(超聲振子焊接于清洗槽下)的聲場(chǎng)環(huán)境中，穩(wěn)態(tài)空化與瞬態(tài)空化都分布均勻，計(jì)算空間平均得到的空化噪聲級(jí)能較好地表示空化強(qiáng)度。

(5)空化噪聲級(jí)的大小、趨勢(shì)與空化的發(fā)展過程相對(duì)應(yīng)。精確地得到空化閾值，與了解水槽中空化的發(fā)展過程對(duì)超聲清洗及其他與空化相關(guān)的應(yīng)用具有重要意義，對(duì)此將在后續(xù)的研究中進(jìn)一步進(jìn)行。

致謝感謝林書玉教授、余宏沛教授對(duì)本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果的指導(dǎo)與肯定；感謝楊柳青、劉玉財(cái)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理給予的幫助；感謝國(guó)防科技工業(yè)水聲一級(jí)計(jì)量站提供實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地，感謝黃勇軍、平自紅、王世全以及杭州瑞利超聲科技有限公司提供的實(shí)驗(yàn)設(shè)備支持。