低频超声清洗中声压的时域特征及发生器对其的影响

　　超声清洗的主要机理是超声空化作用[1]。对于超声清洗设备的生产者和使用者来说,声场中的空化强度是一个至关重要的参数,因为其决定着清洗效率以及对被洗件的损伤程度。与超声空化强度直接相关的声学量是清洗槽中的声能量以及工作频率,其中频率与空化阈值有密切的关系,其决定空化泡成长的时间,频率越高空化泡崩溃前的成长时间越少,而声能量决定空化泡的膨胀率,声能量越大空化泡膨胀得越快。但是到目前为止对空化强度还没有统一的定量的描述,自然也没有一种方法能测量超声空化的绝对强度。然而液体中的空化强度和输入到液体中的声能量有关,而声能量又和声压有关,所以研究超声清洗声场中的声压信号对于进一步认识空化活动具有一定意义。

　　本文使用压电水听器作为测量器件,对低频超声清洗声场的声压信号进行了测量分析,总结了声压信号的时域特征,并研究了超声波发生器对声压信号的影响。并从实验的角度出发,希望能给超声清洗行业人员提供更多的感性资料,使他们对相关知识有更深入的了解。

　　1 测量装置

　　测量装置如图1所示,是由商用超声波清洗机、宽频带压电水听器、高性能数字荧光示波器组成。超声波发生器为他激式,频率为28 kHz,频率和功率均可手动调节。清洗槽底板上有6个换能器,分两排均匀粘贴,清洗槽的尺寸为31cmx21cmx23cm。发生器输出的电功率用韩国MIRAE公司的MPW-5000型超声功率计进行测量,其测量功率范围为0~5kW,频率范围为10~100 kHz。水听器为中国科学院声学研究所研制的CS-3型水听器,其可在几Hz至200 kHz的频率范围内工作,其接受电压灵敏度在200 kHz以下为-210 dB±4.5 dB (相对于1V/LPa)。水听器把声压信号转换为电信号后被输入数字示波器存储并进行分析和后处理,测量中采用美国Tek公司的TDS5052数字荧光示波器,其最高采样率可达5 GS/s,最大记录长度为2m。

　　2 声压信号的时域特征

　　超声清洗声场的声压信号主要是由换能器激励底板从而使液体产生高频振动而产生的,其中还包括因超声空化产生的随机噪声以及由清洗槽等其他机械部件产生的低频噪声。超声清洗声场最主要的特点就是会产生空化,而空化噪声包含有上兆赫兹的高频信号,但是频率越高幅度越小[2]。我们使用的水听器所能测量的频率范围为200 kHz,因此在对采集到的信号进行时域分析前必须滤波使得信号只包含水听器测量频带内的部分。测量中声压信号已经被数字示波器量化为数字量存储,只要按照要求设计相应的数字滤波器即可完成信号的滤波处理。我们使用CS-3型水听器对28 kHz清洗机声场的声压信号进行了测量,记录长度为2 m,采样频率分别为50MHz和5 GHz,用采样模式获取波形,所有波形数据均使用低通数字滤波器进行了滤波。用50MHz采样可以获得长时间的时域变化波形,而用5GHz采样则可以看到波形的细节变化,测量的声压波形如图2(a)~(d)所示,横坐标为测量时间,纵坐标为水听器的输出电压。其中(a)、(b)的采样频率是50MHz, (c)、(d)的采样频率是5 GHz; (a)、(c)的输入电功率为12W, (b)、(d)的输入电功率为300W。图中的虚线是为了分析波形而描绘的辅助线,(a)、(b)图中的虚线是频率为50 Hz、幅度为1的正弦曲线,而(c)、(d)图中的虚线是频率为27. 64 kHz、幅度为1的正弦曲线。