Page 147 - 《应用声学》2020年第5期

第 39 卷 第 5 期 姚炳廷等： 超声搅拌磁流变抛光液的声场仿真分析 789

3.0
30 ࠄᰎ
͌ᄾ 700 W
1000 W
ܦू/(WScm -2 ) 20 ܦू/(WScm -2 ) 2.5
2.0

10

0 1.5
1.0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75
ᣉՔງए/mm ງए/mm
图 10 变幅杆轴向声强的变化 图 12 变幅杆侧向声强的变化
Fig. 10 Variation of sound intensity in the axial Fig. 12 Variation of sound intensity in the side
direction of ultrasonic horn direction of horn

图 11 为变幅杆输出端正下方 70 mm 水平方向
3 结论
声强测量结果，实验测量值与模拟结果吻合。测量
结果显示，当测量位置远离变幅杆中轴线时声强逐 本文利用多物理场耦合方法对不同工艺参数
渐减弱。容器壁附近的声强出现增强，可能是由于 下超声搅拌磁流变抛光液的声场进行了仿真，并对
声波反射造成的叠加，烧杯内出现了混响场。声强 仿真结果进行了实验验证，所得结果与试验测量结
测量值的分布规律也与仿真结果吻合。 果吻合。550 W 时最低声压约为 0.7 MPa，超过了
空化阈值。最高声压产生于距变幅杆输出端20 mm
ࠄᰎ
1.5 ͌ᄾ 范围内，远离变幅杆的区域声压急剧下降，说明声传
播过程中会不断衰减，变幅杆轴向附近区域是主要
ܦू/(WScm -2 ) 0.5 的声空化发生区。改变变幅杆探入深度对产生最大
1.0
声压没有显著影响。声强的大小不是影响空化的唯
一因素，空化场的分布也影响搅拌的效果。比较了
变幅杆在不同探入深度下磁流变抛光液中声场强
0
度的分布，最优的探入深度为 10 mm，针对不同容
-40 -20 0 20 40 器形状可以用同样方法得到最优探入深度。这项研
ඵࣱᡰሏ/mm 究为模拟磁流变抛光液等悬浮液的声场提供了一

图 11 变幅杆输出端正下方 70 mm 处声强的变化 个很好的视角，也为今后超声分散悬浮液容器的优
Fig. 11 Variation of sound intensity in the radial 化设计提供了一种较好的方法。
direction at height z = −70 mm from the horn
output
参 考 文 献
图12为变幅杆侧向声强测量结果，其中超声频
率为20 kHz，超声功率分别为700 W和1000 W。以 [1] Phulé P P. Magnetorheological (MR) fluids: princi-
平行于变幅杆中轴线 21 mm 处的液面为起始点向 ples and applications[J]. Smart Materials Bulletin, 2001,
下测量。距液面 40 mm 范围内，比较两种功率下的 2001(2): 7–10.
[2] Park B J, Fang F F, Choi H J. Magnetorheology:
声衰减拟合曲线，超声功率 1000 W 比 700 W 的声 materials and application[J]. Soft Matter, 2010, 6(21):
衰减更快，可能是由于更大功率下产生的空化泡更 5246–5253.
多，导致超声波在空化云中传播的反射与散射增强。 [3] 王四棋, 李德才, 居本祥. 一种油酸包覆磁性颗粒类磁流变液
的制备和性能研究 [J]. 功能材料, 2016, 47(6): 7153–7156,
距初始测量点 50 mm处声强增大，这主要与该点处
7162.
于驻波的波腹有关。 Wang Siqi, Li Decai, Ju Benxiang. Preparation and