Page 100 - 《应用声学》2019年第6期

1002 2019 年 11 月

波场随之消失，因此空化噪声将伴随着液位高度的 严重不均。当超声功率较小时，超声空蚀的程度在
变化而间隔出现。 各个区域分布均匀(如图6所示)。
另从图 3 还可以看出，位置 1 对应液位高度下
10 1
空化程度强于位置 2 ∼ 位置 6 对应液位高度下空化 ๯ͯᰴए
10.6 cm
程度，这是因为超声波在媒质中传播存在衰减使声 10 0 13.2 cm
15.9 cm
能量产生损失 [21] ，当液位增加时，远离超声换能器
区域声压强度明显降低，从而削弱空化程度；并且随 ቈᤩए/% 10 -1
着液位增加，空化泡释放能量和溃灭功率均显著减
10 -2
小 [22] ，也使得低液位状态下的空化程度较强。而当
液位降到 15 mm 之后，空化噪声异常强烈 (图 3 位
10 -3 1 2 3 4
置0所示)，这可能与薄液空化及柱状泡群 [23] 有关。 ቇᙍࡏ

2.3 功率对空化现象的影响 图 5 大功率时，不同液位下超声空蚀程度
声空化包含多种效应，其中就包含空蚀效应。 Fig. 5 Ultrasonic corrosion degree at different liq-
超声空化气泡在溃灭的瞬间会产生强烈的冲击 uid heights at high power
力 [22] ，对垂直放入水中的薄膜有明显的空蚀。将一
10 1
张整洁的长宽为 18 cm × 5 cm 的锡箔垂直置于水 ๯ͯᰴए
13.2 cm
中，然后开启超声波一段时间 (均为 1 min)，金属薄 10 0 15.9 cm
膜就会出现明显的空蚀现象 (如图 4(a) 所示)，薄膜
的空蚀程度能够反映空化的强度。本实验利用Mat- ቈᤩए/% 10 -1
lab软件将图 4(a)所选区域二值化(如图4(b)所示)，
10 -2
进而计算和分析薄膜的穿透度。
10 -3
1 2 3 4
ቇᙍࡏ
图 6 小功率时，不同液位下超声空蚀程度
Penetration rate 4.014% Fig. 6 Ultrasonic corrosion degree at different liq-
uid heights at low power
(a) ᡔܦቇᙍՑᄊᘙᒛ (b) ቇᙍӝ۫̄ϙӑ
图 4 发生空蚀的薄膜及其二值化 3 结论
Fig. 4 Corroded film and its binarization
本文利用声压传感器对空化噪声信号进行液
当超声功率较大时，薄膜空蚀程度会在距离振 外采集，探究了驻波场和空化现象之间的关系，揭示
子最近的空蚀区域表现为最强 (如图 5 所示)，而其 了空化液体深度优选值的存在，得出以下结论：
他空蚀区域明显变弱，这是由空化屏蔽现象导致 (1) 空化噪声是空化现象发生时一个重要的信
的 [24] 。当液体中某一点的压力小于空化阈值时，空 号特征，它能够准确地反映空化现象的发生与否，并
化气泡产生。因此当功率增大时压力幅值随之增 且一定程度上能够表征超声空化的强弱，本论文利
大，在驻波场的负压区便产生大量的气泡。空化气 用这一信号特征，从实验现象和理论分析两方面揭
泡受到声辐射压力和声流力的共同作用从负压区 示了超声场中驻波场的存在。
移动到正压区，然后在正压区溃灭并使薄膜发生空 (2) 空化气泡溃灭瞬间能够在局部产生较强的
蚀。由于声波在传播过程中入射到气泡上时，气泡 冲击力，造成薄膜发生空蚀，利用 Matlab 软件将图
会对声波产生折射、透射和反射现象，在气泡与声 片二值化，进而对薄膜空蚀程度量化，能够反映空蚀
波的接触面上声波所携带的能量被转化消耗 [25] ，在 区域的空化程度。
驻波场中靠近换能器的空化区的空化强度必定大 (3) 超声空化的强度与输入的功率有关。当超
于远离换能器的空化区的空化强度，从而导致空蚀 声功率较大时会产生空化屏蔽现象，阻碍声能量的