Page 98 - 《应用声学》2019年第6期
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1000 2019 年 11 月
统。本实验采用北京声望声电技术有限公司BSWA-
0 引言 MPA201 型声学传感器在液体外部测得噪声信号，
该型声学传感器可采集频率范围为0 ∼ 22 kHz。传
超声场及其相关效应的研究一直是国内外学
感器位于超声波换能器正上方 30 cm 位置。采用频
者的研究热点，其中超声空化是超声在液体媒质
率为28 kHz压电式倒喇叭型换能器，所用信号源为
中传播产生的一种效应，由于其巨大的理论研究价
深圳广源达超声设备有限公司生产的 GYD-M1 型
值和应用潜力，越来越受到关注 [1−4] ，甚至已经发
超声波发生器。实验装置如图 1 所示，水浴容器能
展到双频超声场领域 [5−6] 。空化泛指液体中气泡
够保证实验所需的温度并保持稳定；利用温度和声
(bubbles) 或空穴 (cavity)的形成及活动。声波的传
信号采集卡将采集到的声信号输入到计算机，能够
播会导致媒质内部物质振动，形成密度、压力起伏。
实时地获取精准数据；通过垂直插入水中的长宽为
一般而言，声空化的成因是液体中的压强降低到一
18 cm × 5 cm 的锡箔纸实现薄膜空蚀法，然后在空
定程度 (区别于因温度上升的沸腾)，具体表现为气
蚀区域选取长宽为 4 cm × 2 cm 的面积 (所选区域
泡的急剧胀缩，同时伴有噪声辐射，某些时候还可能
能够包含该层所有空蚀点)，利用 Matlab 软件将图
伴随电磁辐射。理论上，足够强的声波进入液体后，
片二值化，进而对薄膜空蚀程度量化。
在声波稀疏、负压相拉伸作用下使得液体内部分子
键链断裂，形成空腔；空腔在表面张力的作用下形成 ພए֗ܦηՂ
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气泡 [7] 。而实测表明，液体的实际空化阈值远低于
理论值。为解释这种矛盾，便产生了“空化核”假说。 ܦԍ͜ਖ٨
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现在，这一假说已被许多实验所证实 [8] 。声空化能 ᤩ
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够在局部的时间空间范围内产生高温、高压、冲击 ࠔ٨
波等非常极端的物理条件，并由此引发许多有着广
泛用途的效应。已有研究表明，超声波强化传热主 ᡔܦฉԧၷ٨
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要基于超声波在液体内部及固液界面上产生的声
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空化效应和声流效应 [9−10] ，另外，超声在化工 [11] 、 ᡔܦߕ ጇፒ
生物 [12] 、医药卫生 [13] 以及去污除垢 [14] 等方面的
图 1 实验装置图
应用也与超声空化密不可分。
Fig. 1 Experimental device diagram
空化噪声是指空化泡胀缩及破裂整个过程中
所辐射的声波。超声空化会产生包括谐波、分谐波
及连续噪声在内的空化噪声谱，通过对空化噪声的 2 实验结果与讨论
分析可以在一定程度上判断声空化强度 [15] 。相比
2.1 噪声信号特性
于通过高速摄影观察空化气泡的大小和多少来判
空化现象往往伴随空化噪声的出现而出现。
断空化强度的剧烈程度，测量空化噪声标定空化的
空化噪声频谱是一个从低频到高频的连续谱，连
强烈程度更加简单易行。
续谱是由空化泡随机崩溃产生的激波所引起的。
测量分析超声空化分布的方法主要有金属箔
在频谱图中，空泡的非线性振动会产生基波整数
膜空蚀法、荧光光谱分析法、碘释放法、声致发光成
倍 (2f 0 、3f 0 、4f 0 、· · · 、nf 0 ) 的谐波线谱和奇数倍
像法、染色法等 [16] 。其中金属箔膜空蚀法由于其方
(f 0 /2、3f 0 /2、5f 0 /2、· · · ) 的分谐波线谱 [17] 。胡
便、可视化和低成本等特点获得广泛应用。本文基
淑芳等 [17] 、吴鹏飞等 [18] 曾利用谐波和倍频波进
于声波叠加过程分析了超声空化现象随液位和超
行空化方面的相关研究。本实验利用次谐波噪声
声功率变化而变化的现象。
信号 (14 kHz) 的有无和大小来反映空化现象的有
1 实验装置 无和空化强度。将采集的声信号进行频谱分析，
(14000±500) Hz 频率范围的噪声信号能够准确反
实验设备主要包括34 cm×20 cm×30 cm的透 映空化现象的发生 (如图 2(a) 和图 2(b) 所示)，并
明水浴容器、温度和声信号采集系统和超声发生系 且在一定程度上能够反映空化程度的剧烈程度
