Page 151 - 《应该声学》2022年第2期
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第 41 卷 第 2 期           吴博悦等： 超声清洗装置空化噪声谱分析法空化噪声级测量                                          319


                                                               献 [12] 制定了用空化噪声级 L CN 和提取空化噪声
             0 引言
                                                               谱分量获得空化噪声各个部分的分量来表示超声
                 超声清洗机诞生于 20 世纪 50 年代初的日本，                     清洗槽中的空化强度。
             历经数十年，现已发展应用到各个领域，成为其中重                               本文利用空化噪声谱分析法，进行了超声清洗
             要的组成部分       [1] 。超声清洗的优点很多，如速度快、                 装置和超声清洗槽的空化噪声测量实验。实验较好
             质量高，易于实现自动化等。它可以降低污物造成                            地验证了利用空化噪声级来判断空化阈值和衡量
             的伤害，减少污物与工作人员的接触；尤其是对于精                           空化强度的可行性；同时，研究了超声清洗装置和超
             密工件上的凹槽、狭缝、微孔及暗洞等传统的洗刷                            声清洗槽内空化的分布情况，两者具有较大的差异。
             方法难以有效清洗的部位，超声清洗则有非常理想
                                                               1 空化噪声谱分析法
             的效果   [2] 。
                 超声清洗过程中，其关键在于空化效应，但不                              超声清洗利用超声引发空化效应，以此来达到
             能忽视空化腐蚀。因此，对超声清洗槽内空化强度                            清洗的目的。在发生瞬态空化时，气泡坍塌溃灭，同
             进行准确、定量的测量就显得非常重要。对于空化                            时产生的射流和冲击波作用于物体需要清洁的表
             强度的测量，研究人员多年来已利用空化的各种特                            面 [13] 。然而，空化的机械效应并不容易测量。因此，
             点与性质，应用了如铝箔侵蚀法、碘滴定法、空化噪                           可以借助气泡非线性脉动及溃灭产生的噪声，定义
             声谱分析法、声致发光法以及图像处理法等多种方                            空化噪声级来评估空化强度。
             法进行实验测量与研究           [3−6] 。空化噪声是由于在发                 将水听器固定于运动控制装置上，在运动装置
             生空化时，空化泡的线性与非线性脉动，空化泡的                            的带动下，按曲折的路径缓慢通过清洗槽，期间连续
             形成与破灭，以及空化泡之间的相互作用等因素而                            测量清洗槽中的声信号。采集信号后，用窗函数对
             产生的，始终伴随着空化过程。测量空化噪声，可以                           数据进行加权，并将加权数据分别做快速傅里叶变

             得到其中关于空化过程中大量的信息，具有独特的                            换(Fast Fourier transform, FFT)。接着，计算这些
             优势。                                               由FFT得到的空化噪声谱的幅值均值的平方，相当
                 其中，对于空化噪声，各国研究人员开展了                           于求了功率谱。取与空化相对应的谐波声压均值的
             一系列的研究。1956 年，Holak          [7]  在 ORL 消声箱       平方，即 p 。该值与参考声压 p ref 的平方的比值取
                                                                        2
                                                                        n
             和物理实验室水槽中，用 Massa 115A 和一个 Allen                  对数，得到空化噪声级为           [12]
             Spencer 探针水听器进行了空化噪声测量。他分析
                                                                                        (  2  )
                                                                                          p
             了90 kHz ∼ 2 MHz频率范围内的空化噪声；观察到                                   L CN = 10 lg  n   .          (1)
                                                                                          p 2
             除了宽带噪声外的驱动频率的谐波和次谐波成分；                                                        ref
                                                                   如图 1(a) 所示在超声清洗设备中，低频谐波
             给出了与实验结果相吻合的空化气泡增长和衰减
             的表达式；计算得驱动频率及其谐波处出现的能量                            0.25 × f 0 (f 0 为超声清洗换能器的谐振频率) 的
             比宽带频谱中的能量更多。2000 年，Frohly 等              [8]  研   噪声级很低，与声强的对数不成正比，而且空化
             究了超声空化中空化噪声和空化强度的关系，在不                            阈值的位置也无法明显看出。在这些频率下，声
             同的超声功率下分别用空化噪声谐波及高次谐波                             波的半波长也明显大于清洗槽的尺寸。在频带
             的功率谱和连续谱的功率谱来表示空化强度。2005                          为 (2.25 ± 0.1) × f 0 和 (4.25 ± 0.1) × f 0 时，空化阈
             年，Sobotta 等  [9]  对超声清洗设备的空化噪声进行                  值以上的噪声级与声强的对数成正比。在高频段
             了测量，分析了空化噪声谱，研究了驱动超声频率                            (8.25±0.1)×f 0 和(16.25±0.1)×f 0 中，噪声级并不
             f 0 处的声压在不同换能器表面声强时的变化情况。                         完全遵循函数 1 和函数 4(函数 1 与函数 4 分别为拟
             2014年，Hertz-Eichenrode等   [10]  测量了空化噪声信          合的n/4倍谐波曲线在瞬态空化前后的变化趋势函
             号频谱的 “颜色”，确定了各谐波频段的噪声级与声                          数)。同时，在(2.25±0.1) × f 0 的频段内干扰较少，故
             强对数之间的线性度；并且通过空化噪声的测量，                            需选择测量中心频率 f c = 2.25 × f 0 处的噪声声压
             测量了瞬态空化阈值。2017 年，Köchel 等             [11]  研究    作为计算瞬态空化噪声级的声压。通过对超声清洗
             了对空化噪声谱的数字信号处理方法。2019 年，文                         换能器的实际测量 (超声换能器基频 f 0 为 24 kHz)，
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