Page 10 - 《应用声学》2025年第1期
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6 2025 年 1 月
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ᡔܦషѨ
55453 Hz
2.0
1.5
ͯረ/nm 1.0
0.5
0
45 50 55 60 65
ᮠဋ/kHz
(a) ࡙⭘◰ݹ⍻ᥟԚ⍻䟿ᴢằᔿ༠唁⍎䎵༠ᵟ࠰ᥟࣘ⁑ᘱⲴᇎ傼➗⡷ (b) ᴢằᔿ༠唁⍎䗀ሴཤᕟᴢᥟࣘ⁑ᘱ⍻䟿㔃᷌
图 8 探针浸入式 ABH 化学反应器的激光测振实验及结果
Fig. 8 Laser measurement vibration experiment and results of the probe-immersed ABH sonoreactor
变化系数，L 1 = 112 mm 为辐射头变截面圆杆的长
2 ABH浸入式化学反应器
度。随着ABH 轮廓的嵌入，即使有非零的尖端半径
浸入式声化学反应器是一种利用超声能量提 r 0 ，局部弯曲波数和振幅仍会显著增大，在辐射头周
高化学反应速率的装置，在工业清洗、污水处理、 围可以产生多个高强度声能辐射区，从而提高反应
食品加工、有机合成和生物技术等领域已得到广 器的声处理范围和效率。为了成功激发 ABH 辐射
泛应用 [53−56] 。传统的浸入式声化学反应器通常由 头的纵弯耦合振动模态，保持其他设计尺寸不变，调
超声换能器和辐射探头组成，其工作频率范围为 整尺寸参数m和L 1 使两种振动模态在25 kHz处实
20∼40 kHz。然而，随着声化学技术的快速发展，传 现同频耦合。
统浸入式声化学反应器因设计结构的局限且振动
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模式单一，主要在探头尖端产生空化，探头周围的
空化相对较弱，导致声学处理范围有限且效率低
下 [57−58] 。因此，在辐射头设计中嵌入 ABH 轮廓，
并利用模态耦合和模态转换开发了两款新型浸入
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式声化学反应器，并对其振动与声场特性进行深入
研究。 图 9 探针浸入式 ABH 化学反应器的结构示意图
2.1 探针浸入式ABH化学反应器 Fig. 9 Structure diagram of the probe-immersed
ABH sonoreactor
2.1.1 模型设计
2.1.2 振动分析
图 9 为探针浸入式 ABH 化学反应器的结构示
意图，其中超声换能器和探针式 ABH 辐射头各为 利用有限元仿真软件对探针浸入式 ABH 化学
一个 25 kHz 纵振半波振子。ABH 化学反应器总长 反应器的振动模态进行数值模拟。在振动模拟中，
248 mm，超声换能器和 ABH 辐射头的长度分别为 忽略边界负载和损耗的影响，激励电压为 1 V。如
86 mm、162 mm。在 ABH 辐射头的等截面圆杆上 图10所示，当频率为25508 Hz时，探针浸入式ABH
嵌入半环槽以破坏其结构对称性，从而引入弯曲振 化学反应器将进行纵弯耦合振动。辐射头周围出现
动模式的耦合。半环槽位于弯曲振动波幅处。进一 了多个明显的弯曲振动波峰，弯曲波峰幅值累积放
步地，将 ABH 轮廓嵌入到辐射头的变截面圆杆处， 大，这些现象将在增强空化区域与辐射强度方面发
其半径函数(0 6 x 6 L 1 )可以表示为 挥关键作用。
利 用 全 场 激 光 扫 描 振 动 测 量 系 统 (Polytec
r 1 − r 0 m
r(x) = x + r 0 , (3)
L m PSV-400) 对探针浸入式 ABH 化学反应器的振动
1
其中，r 0 = 0.57 mm 为辐射头的尖端半径，r 1 = 模态和位移频率响应特性进行实验测量，如图11(a)
8 mm 为辐射头的最大半径，m = 3.2 为 ABH 轮廓 所示。图11(b)及图11(c)展示了测得的反应器辐射
