Page 146 - 《应用声学》2020年第5期

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2.2 容器半径和长度对声场的影响 氧化硅体积分数 0.3%。使用声强测量仪测量声场，
图7 为容器内最大声压随容器长度和半径变化 测量时测量探头起始位置距变幅杆输出端 15 mm，
的模拟结果，其中超声功率 700 W，变幅杆探入深 间隔10 mm测量变幅杆轴向声强。测量的声场分布
度 10 mm，随着半径的增大，最大声压逐渐减弱， 与模拟结果类似，靠近变幅杆的区域声强较强，远离
在半径为 30 mm 的容器中，长度对最大声压的影 变幅杆时声强减弱，声强在轴线上存在波动，两个波
响不明显，组内最大声压的标准差为 3.5%。在直径 峰之间的距离约为波长的一半，由于超声空化产生
35 mm 和 40 mm 容器中差异明显。综合各组数据 大量的空化云，空化云的声屏蔽效应使得声强在靠
选择30 mm半径最优。对于半径35 mm的容器，随 近变幅杆的区域迅速衰减，之后衰减变慢，测量结果
着容器长度增加最大声压增幅最大达7.7%。容器的 与仿真结果较为吻合。
长度对最大声压的影响可能是容器底部的声压反
Pa Pa
射造成的。当容器半径40 mm、容器长度 80 mm 时 7.02T10 5 7.26T10 5
T10 6
T10 6
最大声压最大。 0.5 0.5
0 0
-0.5 -0.5
ࠔ٨᫂ए 70 mm
80 mm
3.5 90 mm -1.0 -1.0
100 mm
110 mm -1.5 -1.5
తܸܦԍ/MPa 3.0 (a) P= 5 5 0 W -3.01T10 6 ( b ) P=700 W -3.12T10 6
-2.0
-2.0

Pa Pa
7.63T10 5 8.74T10 5
T10 6 T10 6
0.5 0.5
2.5 0 0
30 35 40
-0.5 -0.5
ࠔ٨ӧय़/mm
-1.0 -1.0
图 7 容器半径和长度对最大声压的影响 -1.5 -1.5
Fig. 7 Effects of container radius and depth on -2.0 -2.0
-3.27T10 6 -3.75T10 6
maximum pressure
(c) P = 8 5 0 W ( d ) P=1000 W
2.3 不同超声功率对声场的影响
图 8 不同功率下声压分布声压
图 8 为 变 幅 杆 探 入 深 度 为 10 mm、 550 ∼ Fig. 8 Simulation of acoustic pressure propaga-
1000 W 超声功率下声压分布的仿真结果。随着 tion at different power
功率的增大，最大声压随之增大，使得空化强度增
140
大，声压主瓣的位置没有显著变化，高声场强度的
120 550 W
区域有所增大。声场中达到空化阈值的区域增大， 700 W
850 W
使得磁流变抛光液的搅拌更加均匀。空化效果较弱 100 1000 W
的区域为容器的角落与波节位置。变幅杆轴向声 ܦू/(WScm -2 ) 80
强的仿真结果如图 9 所示，声强随功率增大总体增 60
大，声强在轴向呈指数衰减。声强最大值可以达到 40
122 W/cm 。 20
2
0
2.4 实验验证
-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
图 10 为功率 700 W 时超声振动系统在 500 ml ᣉՔᡰሏ/mm
烧杯内轴向声强的实验测量结果。变幅杆探入深度 图 9 不同功率下轴向声强
为 10 mm，采用低浓度磁流变抛光液，其中羰基铁 Fig. 9 Axial sound intensity distribution at dif-
粉体积分数 0.29%，碳化硅体积分数 0.09%，纳米二 ferent power