Page 104 - 《应用声学》2022年第6期

950 2022 年 11 月

速至超声速，超声速气流射入谐振腔，于腔内生成 1.2 气溶胶声波团聚原理
一系列压缩波传至腔底，腔内压力增大，碰撞腔底 以超细液滴作为团聚对象，团聚过程如图 2 所
壁面后反射至腔口，在腔口处形成膨胀波向腔内传 示。目前，声波团聚的机理研究中，最为重要的是正
播，膨胀波同样在腔底处反射至腔口，此时腔内压 向团聚机理及声波尾流效应。此外，声流、共辐射压
力降低。腔内压力的变化会导致气体入流方向的改 效应和声致湍流等团聚机理也不可忽略 [23] 。
变，腔内压力增大时，射流方向转向腔体外侧，腔内
压力降低时，射流方向重新转向腔内。此过程不断
循环，压缩波与膨胀波的产生使周围空气产生周期
性振动从而发声。
本文设计了一款具有气声分离特性的气流声
源。该声源由Hartmann型气流声源与号角构成，其
中谐振腔直径为 32 mm，深度为 20 mm，中心杆
直径为 12 mm，喷嘴直径为 22 mm，喷嘴与谐振腔
间距离为 12.3 mm，谐振腔口倒角为 45 ，用 L 表
◦
ڄᐑҒ ڄᐑՑ
示Hartmann型气流声源与号角之间的侧面开口尺
寸。图 1 为该声源的实物图与结构图。气声分离的 图 2 液滴气溶胶的声波团聚示意图
原理是，声源以回流模式发声时，受谐振腔内压力的 Fig. 2 Schematic representation of acoustic ag-
影响，喷嘴出口的喷射气流会循环地改变气流方向， glomeration of fine droplet aerosol
当射流方向转移至腔外时，射流与轴向间将具有一 正向团聚机理是指，不同粒径的颗粒在高强声
定偏转角度。偏转的射流大部分会从侧面开口处直 波作用下产生相对运动，从而引起碰撞并团聚。具
接排出，部分声能也会从侧面开口处传递出去。小 体表现为，在声波作用下，大颗粒受惯性影响位移距
部分气流则会朝号角出口流出，声源发出的其余声 离小，而小颗粒位移距离大，于是形成相对运动。且
能也会沿号角传递出去。 在团聚过程中，大颗粒具有收集核的作用，会不断吸
收与其碰撞的小颗粒形成一个更大颗粒，减少细颗
粒数量，并增大平均粒径 [24] 。
声波尾流效应是由 Oseen 流动条件下颗粒运
动速度方向的前后流场不对称引起的 [25] 。相邻两
个颗粒受声波作用产生位移时，前方颗粒后部会
形成低压尾流区域，吸引处于该区域的后方颗粒，
使两个颗粒相互靠近。半个声波周期后，流体运
动速度方向转变，两颗粒位置互换，仍存在吸引作
(a) ࠄྭڏ 用。数个周期之后，两个颗粒最终发生碰撞形成大
颗粒 [26] 。
Ղᝈ
ဗॎإٙ
2 实验设备及方法
ᤉඡ԰
实验装置如图 3 所示，声波团聚室是由内径
300 mm、高度 600 mm 的有机玻璃管制成。该团聚
˗ॷీ L
ៈ૝ᑿ 室具有较高的透光率，对激光的阻挡作用很小，底部
(b) ፇ౞ڏ(Җ᜽) 则为刚性反射面，能够有效反射声波，提高声波的利
图 1 具有气声分离特性的气流声源实物与结构图 用效率。采用具有气声分离特性的气流声源，放置
Fig. 1 Physical diagram and structure diagram of 在团聚室上部，由空压机 (型号 -L18.5-7.5) 提供所
air-jet generator with flow-sound-separation 需压缩空气。