超声清洗噪声的频谱特性及其影响因素

　　超声清洗技术由于其一系列优点，目前被广泛应用在许多行业和部门。一般理论认为，超声清洗是通过超声的空化效应实现的[1, 2]，但清洗过程中由空化而引发的噪声是其一大缺点。超声清洗机的工作频率多选在20～40kHz 之间，这时虽可得到较大的空化强度，但空化引起的噪声也大，对长期处于超声清洗环境中的操作工人的身心健康将带来不同程度的损害。已有的实验结果表明，噪声对人体生理机能的影响与接触噪声的频谱特性有关，但既有的防护措施却往往忽略了对作业场所噪声频谱的了解[3,4]。因此，本文在分析了超声清洗噪声成因的理论基础上，实验测量了工作频率分别为21±0.5kHz、27±0.5kHz、38±0.5kHz的超声清洗机的噪声频谱并讨论了工作频率对超声清洗噪声频谱的影响。这项工作将为进一步采取降噪措施和研究超声清洗噪声对人体的生理危害提供理论和实验依据。

　　1 超声清洗的噪声成因机理

　　1.1 超声清洗设备

　　用于超声清洗的设备，即超声清洗机主要包括三个部分[5]：超声波发生器、清洗水槽和粘在水槽底部的换能器阵。工作时，超声波发生器提供给换能器一个一定频率的电磁振荡能量，其频率等于换能器自身的谐振频率。换能器在超声波发生器的激励下发生共振，将电磁振动信号转化为换能器本身的超声振动，进而推动与其机械振动系统相连接的水介质振动，向水中辐射超声波。

　　1.2 超声清洗噪声

　　超声波在液体中传播时将引发空化，即存在于液体中的微气泡(空化泡)在超声场的作用下初生，发育和随后迅速闭合的现象[6, 7]。液体空化时伴随有空化泡的非线性振动以及空化泡的崩溃，前者会产生各次谐波和分谐波;后者则会辐射出连续谱噪声。这些成分相互迭加就形成了液体中的空化噪声。对液体中的空化噪声已有文献作过研究[8]，从所得的频谱图上发现，超声波的空化噪声谱频带很宽，表现为在连续谱的背景上叠加一些谱线。线谱的频率对应于激发声波的频率及其谐波和分谐波频率。图1是笔者测得的工作频率为21.3kHz的超声清洗机，距其换能器截面34.3mm处的水中的声压频谱图，由图中可明显看出各谐波及其分谐波分量。谐波分量是由空化泡的非线性振动产生的，而连续谱是由空化泡随机闭合冲击波产生的。液体中的空化噪声透过水/空气界面向工作空间辐射，其中频率较低的成分，有可能会进入人耳所能听见的频率范围之内，成为环境中工作噪声的主要罪魁祸首。

　　2 超声清洗噪声的频谱测量

　　2.1 仪器及实验装置