Page 142 - 《应用声学》2020年第1期
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主要与波的反射和衰减及变幅杆的结构相关。图 9 量空化泡，在辐射端面以外，也同样分布着大量的空
显示，半径为 75 mm 时，H 为14 mm 的声压值也优 化泡，呈絮状或细丝状；辐射端面与水域接触面积较
于其他结构，且随着水域深度的增加，波形稳定。此 大，波的传播方向不局限于轴向传播，从图 10(b) 气
外，随着半径的增加，声压逐渐降低，进一步证实声 泡的分布可知，声波在水域中呈球面波传播 [21] ，在
波衰减程度与振动源的距离有关。声学模拟分析结 声波的传播方向上分布着大气泡和细微气泡。随着
果表明H 为14 mm 时模型最优。 距离辐射端面较远的水域、气泡云的分布密度逐渐
变低，主要由于声能衰减，远端气泡云在作用力下处
2 变幅杆超声空化及声化学反应对比
于动平衡状态 [22] 。相比传统变幅杆，碟形变幅杆有
2.1 变幅杆的水域空化分布 更大的声波辐射源，声波在水域中传播的区域广，促
进了大量空化泡的产生，这说明碟形结构能够显著
根据声学模拟优化结果，对优化的结构进行
提升空化现象，有利于声化学处理。
试验验证，并与换能器 (苏州嘉辉超声波科技有
限公司 JH-5520) 实际装配，采用型号为 6500-B 的 2.2 变幅杆铝箔空化腐蚀及碘离子氧化对比研究
CV 特性分析仪对换能器和变幅杆的装配体进行
尽管图10已直观地给出空化泡的分布情况，但
固有频率特性分析，其中换能器和传统变幅杆结
对于实际空化效果无法直接得出。利用空化作用对
合频率为 20.06 kHz 与碟形变幅杆结合后的频率为
铝箔进行空化腐蚀，同时空化泡崩溃时产生氧化性
20.02 kHz，在误差允许的范围内，认为该频率符合
自由基例如 ·OH、·OOH和 ·O，可以将 I 氧化成 I ，
−
−
要求。采用型号为 JHSH2000 的超声波发生器驱动 3
通过紫外分光光度计测量 I 吸光度，可计算 I 浓
−
−
两种结合类型的换能器，均施加相同瞬态峰值电压 3 3
度，有助于进一步理解二者在水域中的声场分布和
350 V 和功率 320 W。变幅杆的轴心位于水容器正
声化学反应。
中央，入水深度为 85 mm，水深 210 mm；水容器总
图11为两种类型变幅杆在不同时间段，对水域
体高度为300 mm，容器底端厚度10 mm。驱动换能
中铝箔的空化腐蚀情况。碟形变幅杆所在水域 30 s
器，压电晶堆将电能转换成机械能，带动变幅杆做纵
时，铝箔已经出现斑点和凹坑，其中靠近碟形结构处
向振动，并通过变幅杆在水域中传递声波。图10 为
的现象明显；120 s时铝箔空化腐蚀形状和模拟声场
两种变幅杆在水域中的空化情况。
相似，但在两处碟形结构之间，也出现了更大幅度的
击穿和模拟有所不同，主要是由于两处碟形结构在
向内侧振动时，如图 5所示，声波在碟形结构之间出
现叠加，空化泡受 Bjerknes 力 [23] 聚集在声波重叠
区域，大量的空化泡破裂产生了瞬时的高温高压，因
此铝箔腐蚀程度更严重；300 s 时铝箔的空化击穿形
状呈球形，和图10(b)空化泡的分布相对应；在240 s
(a) ͜ፒԫࣨీඵ۫ቇӑ (b) ᇇॎԫࣨీඵ۫ቇӑ
铝箔击穿形状基本成形，在240 s∼300 s 期间，空化
图 10 传统和碟形变幅杆瞬时空化情况 速率逐渐降低，主要是由于距离振动源较远的水域，
Fig. 10 Instantaneous cavitation of conventional 超声能量衰减，产生空化泡的数量少。在辐射端面
and dish-shaped horns 水域 120 mm 以下铝箔只出现了轻微腐蚀斑点，而
如图 10(a) 所示，对于传统变幅杆，空泡主要受 在图 11中未能清晰体现，主要是由于声波反射及声
辐射声波的轴向效应集中在端面，呈锥形结构 [20] ； 波干涉相消，使得该处声压值衰减，空化泡数量较
辐射端面聚集了高密度空化泡，气泡之间的结合产 少，因此腐蚀程度相比辐射端面附近较小。
生大气泡，并游离在变幅杆的表面，在浮力的作用下 传统变幅杆所在水域，30 s 时铝箔也出现了空
不断向水域自由液面漂浮，受锥形气泡群的影响，声 化腐蚀点，但数量较少且不明显，60 s∼120 s 期间，
波传播受阻，辐射声压衰减，因此整个水域空化泡分 铝箔两处出现了明显的击穿位置，即如图 3 所示的
布较少。对于碟形变幅杆，碟形结构表面分布着大 模拟声场，但其中一处并不是位于变幅杆的正下方，
