热探针法测量超声场强度分布
超声广泛用于化学化工领域,如辅助萃取[1-4]、催化反应[5-6]、废水处理[7-8]. 超声强化的主要机理是超声空化. 秦炜等[9]认为超声空化产生的聚能效应[10-12]、机械效应、湍动效应[13-15]、热效应[16]等是超声强化的主要因素. 超声场强度分布是了解空化强度的基础. 声场强度的大小和分布与超声频率[17]、超声功率、液体性质[18]、容器形状[19]等诸多因素有关. 目前常用的直接或间接测量声场强度的方法有铝箔法[20]、热探针法[21]、水听器法[22]等.
一般而言,通过测量超声作用下整个介质区域内的声场强度分布可用于表征超声设备空化性能的好坏. 目前,Romdhane等[19]仅研究了轴向和径向一维声场强度变化规律,这是不全面的. 本文采用热探针法,研究了30 kHz和40 kHz探头式超声设备在纯水体系中的二维声场分布,并考察了超声电功率、超声频率对超声场强度分布的影响.
1 声场强度测量实验
1.1 实验原理
热探针由吸波材料包覆在T偶上组成. 吸波材料采用Ceresit 3B有机硅树脂. 探针为圆柱体,直径为0.4cm,高0. 5cm. 热电偶沿中心插入0.2cm. 热电偶与数据采集器相连,实现温度的在线测量.基于Romdhan[21]的理论,热探针法测量声场强度的数学表达式为
式中: I为声场强度,A为探针表面积,T0为初始温度,Teq为平衡温度,he为传热系数,μ为探针材料的吸声系数. 对于特定的探针,A、μ、he为常数. 从上式可以看出,声场强度I与始末温度差(Teq- T0)成正比. 通过测量探针在声场下某位置处的始末温度差,便可表征该处的声场强度.
1.2 实验设备
分别采用30 kHz和40 kHz探头式超声设备,其电功率在0~500 W可调. 探头浸没于盛有蒸馏水的烧杯中. 保持探头位于烧杯的中心,即探头中轴线与烧杯的中轴线重合. 探针置于探头下方(图1) 通过滑动支架,探针可以沿水平和竖直方向移动. 调整探针距探头辐射表面的垂直距离h和探针距探头中轴线的水平距离x. 考虑到探针的尺寸,轴向和向移动的步长均设为0.5cm(图2). 改变超声发生器的频率和电功率,得到不同频率和电功率下的声场分布.
2 声场结果与讨论
2.1 热探针的响应
超声频率为30 kHz,探头插入液面3cm,超声电功率为40W,探针位于探头的正下方,距探头表面2cm时,探针的响应曲线如图3所示.
由图3可知,探针由于吸收超声波,温度升高,并在很短的时间内(约7s)达到平衡温度Teq,与初始温度的差值(Teq- T0)可代表该位置处的声强.由于超声的热效应,在测量过程中,液相主体的温度略有升高( 小于2℃) . 由于每次测量时间很短,且在较小的温度范围内,声场强度的值差别不大[21],因而实验过程中体系温度的变化可以忽略.
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