CN102175308A - 一种超声空化反应测量装置及基于时差法的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用时差法测量超声空化效应强度的方法，通过检测超声作用过程中液体内部空化泡的浓度变化来确定超声空化强度。用超声传播时间表征空化效应，采用无超声作用与有超声作用进行对比，以不同声强下测得的超声传播时间与未加超声时的传播时间之差

作为时差测量信号，测量其声传播时间差的变化即可定性检测出声空化效应强弱的变化。本发明公开的超声空化反应及测量装置，设备简单，易于实现，成本较低；使用此装置按照基于时间差的超声空化效应的测量方法进行测量，过程简单，得到的测量结果具有较高的精度。

Description

一种超声空化反应测量装置及基于时差法的测量方法

技术领域

本发明属于超声检测及分析技术领域，涉及一种通过测量超声传播时间差来测量超声空化强弱变化的方法。

背景技术

超声波的空化效应是指向液体中辐射声波时，在一定压强下液体中出现的微小气泡随着声压的变化做脉动、振荡，或伴随有生长、收缩以致破灭的现象。液体声空化的过程是集中声场能量并迅速释放且最终高速度崩裂的动力学过程。空化的产生过程发生时间极短(在数纳秒ns至微秒μs之间)，气泡内的气体受压后急剧升温，在其周期性震荡特别是崩溃过程中，会产生瞬态的极大的高温、高压，并使气泡内气体和液体界面的介质裂解。

对于超声空化效应的测量，传统的方法是通过一系列的物理、化学方法对空化效应进行测量，如物理上的次谐波法，化学的碘释放及电学法。随着科技的发展，出现了使用高速摄影与三维全息技术，形象地揭示与研究超声空化过程的方法。

(1)电学方法检测声空化

通常情况下，氮气与氧气是不发生化学反应的，但空化过程可以使溶于水中的氧气与氮气发生反应，形成NO，NO被氧化生成NO2，NO2与水发生反应生成硝酸和亚硝酸，反应如下：

2NO+O₂→2NO₂

2NO₂+H₂O→NO₂+HNO₃

该反应过程使水变成了电解液，电导率增大，通过检测电导率的变化，即可研究声空化的情况。

对于浓度为c的低浓度强电解质溶液，其电导(σ)与浓度近似成正比，即σ∝c，在短时间内，超声辐照只产生少量硝酸与亚硝酸，故满足上述近似条件。此外假设每次空化产生的离子相等，那么σ将与空化次数(n)呈线性关系，σ＝σ₀+kn，即σ-σ₀＝kn，通过空化事件次数(n)，即可研究声空化规律。

(2)用荧光光谱技术检测·OH

对苯二甲酸水溶液是非荧光性物质，但是当其与·OH相结合，便形成稳定的强荧光性物质羟基对苯二甲酸根离子，而在超声空化过程中可以产生·OH，所以通过检测溶液的荧光强度即可对空化进行研究，

(3)碘释放法

超声空化过程中，KI水溶液中的KI氧化生成单质碘，加入少量CCl₄，使其大量析出。有关化学反应如下：

2·OH→H₂O₂

H₂O₂+2KI→I₂+2KOH

CCl₄+H2O→Cl₂+CO+2HCl

2HCl+[O]→Cl₂+H₂O

2KI+Cl₂→2KCl+I₂

加入淀粉使碘呈兰色，硫代硫酸钠滴定，直至溶液恢复成无色。反应如下：

I2+淀粉(呈兰色)

I₂+2Na₂S₂O₃→2NaI+Na₂S₄O₆(兰色消失)

通过检测Na₂S₂O₃的量可以确定I₂的析出量，进而得出空化强度。

(4)高速摄像法

该测量方法是利用高速相机实时记录二维图像。这种方法不仅可以测量气泡大小(如半径)，还可以得到气泡的实际形状。但是实时拍摄仍然存在许多难以克服的困难：由于气泡很小，必须在气泡和相机之间加上一个显微镜。经显微镜放大后，导致相机的进光量就显著减少；此外，由于空化泡的高速振荡，要求相机的曝光时间越短越好，起码要＜1μs，这就要求相机具有极高的灵敏度。目前，国外有使用10MHz的高速摄像机来记录空化泡的运动的，这种相机代表着当前最高技术水平，导致该方法的成本较高。

(5)声致发光成像法

研究表明，空化气泡在坍塌的瞬间，气泡内会产生极高的压强与温度，从而发射出一种弱光，即声致发光。当超声的频率、声强、液体的温度等条件发生变化时，声致发光强度就会发生显著的变化，通过观察液体中发光区域的变化和分布，分析液体中空化的变化情况，和其他测量超声空化的方法相比这种方法操作简单，更清晰、更直观、更形象。

上述方法中电学法和化学计量法，都需要进行复杂的物理化学变换，实验过程繁杂，并且结果也不够精确，只能间接反映空化特性；而高速摄像法虽然直观，但费用高昂；声致发光成像法所得到的数据离散度较大，同时由于空化过程中的温升、雾化以及鲁米诺的损耗等原因，使光源不稳，曝光时间较长，很难从成像中做精细的分析。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种超声空化反应及测量装置，用于测量超声空化的强度，并提供一种基于时间差的超声换能器空化效应的测量方法，该测量设备简单，易于实现，并且具有较高的测量精度。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于时差法的超声空化效应测量方法，通过一种简单直接的方式来表征超声空化进行的强度和程度以及与声强的关系，并同时提供了一种超声空化反应及测量装置。

本发明是通过检测超声作用过程中液体内部空化泡的浓度变化来确定超声空化强度。检测空化泡浓度的原理是由于超声在液体和气体中传播速度的显著差距，导致液体中空化泡的浓度变化时声传播速度有明显变化，在传播距离一定的情况下，声速的变化表现为声传播时间的变化。但声速受环境参数的影响很大，直接测量声速将很不精确，本发明采用无超声作用与有超声作用进行对比，即保证环境等相关条件完全相同的条件下，仅仅只有声输出功率为零和非零的区别，测量其声传播时间差的变化即可定性检测出声空化效应强弱的变化。

超声空化反应测量装置，包括盛放反应液体的反应容器，与所述反应容器紧密结合并驱动反应容器内液体发生空化效应的超声换能器，嵌于所述反应容器的器壁中的检测换能器，信号发生装置发出的信号经功率放大装置后驱动所述超声换能器，另一信号发生装置发出的信号驱动所述检测换能器，超声传播时间差测量装置采集读取检测换能器的信息。

所述检测换能器包括发射换能器和接收换能器，发射换能器和接收换能器相对地嵌于反应容器的器壁中，其间距为检测信号的传播距离L。

所述另一信号发生装置发出的信号驱动所述发射换能器。

所述超声传播时间差测量装置分别与所述接收换能器端、所述发射换能器端连接。

所述发射换能器经滤波装置与所述超声传播时间差测量装置连接。

所述反应容器浸于一冷却装置中，冷却装置中的液面高于所述反应容器口。

所述超声传播时间差测量装置包括数字示波器。

一种基于时差法的超声空化效应测量方法，用超声传播时间表征空化效应，以不同声强下测得的超声传播时间与未加超声时的传播时间之差Δt作为时差测量信号。

测量步骤为：

(1)向反应容器中加入适量的液体，并将整个超声换能器置于液体中；

(2)信号发生装置产生的信号经功率放大器放大后驱动超声换能器；

(3)用另一个信号发生装置产生另一个频率的波形信号驱动发射换能器；

(4)每个声功率加到超声换能器上使空化效应达到稳定后，间隔一定时间在水温未发生变化之前快速测量数组数据；

(5)用超声传播时间差测量装置采集并获取测量的数据，计算其平均传播时间；

(6)维持测量条件不变，改变功率放大器输出功率，重复测量步骤(1)-(4)，测定不同功率下超声的传播时间t；

(7)计算得出不同声功率下的超声的传播时间与未空化时的传播时间差即时差测量信号Δt。

基于超声时差法的超声空化效应强度测量方法详细过程为：超声换能器置于反应容器底部，并与反应容器紧密结合，反应容器内盛放反应液体，超声换能器驱动后使反应容器内液体发生空化效应。发射换能器和接收换能器相对地嵌于反应容器的器壁中，其间距为反应容器的直径长，此即检测信号的传播距离L。整个反应容器浸于一水槽中，水槽液面高于反应容器口，使反应容器中液体和水槽中液体相通，以防止空化时放热引起液体温度的变化，保证整个装置在一个较稳定的状态下进行。信号发生装置包含两个独立的信号源，其中第一信号源驱动超声换能器，第二信号源驱动发射换能器，信号源发出信号的频率与对应的换能器的偕振频率相同。第一信号源给出一个既定的正弦波信号，给出的正弦信号与功率放大器相连，经过功率放大之后，驱动超声换能器工作，使液体产生空化效应。第二信号源发出的另一频率的正弦波信号驱动发射换能器，在保证其可以驱动发射换能器发射出信号的同时，也便于观测、读取接收换能器端接收信号与发射信号的时间差。超声传播时间差测量装置包括数字示波器，由数字示波器采集读取超声时间差。由于接收换能器接收到的信号受到较多的干扰，尤其是来自反应容器底部的超声换能器，其发出的信号比起发射换能器发射出的信号，具有较大的功率，因此干扰很强烈。为消除干扰，将接收端的信号与一带通滤波器相连，用带通滤波器滤除杂波。滤波后的信号具有较好的波形，即可读出相应的传播时间，计算时间差Δt。

液体中空化泡的分布状态与空化效应有密切关系，在不同声强超声作用下，空化泡的多少不同，由于声音在液体和气体中传播时间存在差异，导致在传播距离相同时，超声在不同声强下的空化液体中的传播时间不同，该时间和空化泡的数量与分布状态密切相关，因此超声传播时间能反映空化效应。

时差测量信号Δt与液体中所含微量气体的浓度x存在以下关系：

$\mathrm{\Δt}=L(\frac{1}{\sqrt{\frac{\mathrm{\γRT}}{M}}}-\frac{1}{\sqrt{\frac{K_l}{{\mathrm{\ρ}}_l}}})x$

式中，L为发射与接收换能器之间的距离，K_i是绝热环境条件下的液体体积弹性系数，ρ_l为液体密度，R为摩尔气体常数；T为绝对温度；M为气体的分子量；γ为气体的定压比热c_p与定容比热c_v之比，即γ＝c_p/c_v。

超声传播的时间差Δt即声空化效应强弱与液体中所含微量气体的浓度的关系可通过如下步骤计算得出：

在任意情况下的一般气体，其声速的表达式都颇为复杂。它与空气的分子量、比热和物态方程等诸多因素有关。在一般工程问题中，只需给出理想气体中声速的表达式，它可由绝热条件的物态方程导出

${C_g}^2=\frac{{\mathrm{\γP}}_0}{{\mathrm{\ρ}}_0}---\left(1\right)$

对理想气体有克拉柏龙公式

$\mathrm{PV}=\frac{m}{M}\mathrm{RT}---\left(2\right)$

所以，上式气体中声速方程可改写为：

$C_g=\sqrt{\frac{{\mathrm{\γP}}_0}{{\mathrm{\ρ}}_0}}=\sqrt{\frac{\mathrm{\γRT}}{M}}---\left(3\right)$

以上各式中：C_g为气体中的声音的传播速度，P₀、ρ₀为未受到扰动时周围环境的静态压强和静态密度，因为未受到扰动时气体是均匀的，P₀、ρ₀均为常数；R为摩尔气体常数；T为气体绝对温度，M为气体的分子量，m为气体的质量，P为m千克气体的压强，V为m千克气体的体积；γ为气体的定压比热c_p与定容比热c_v之比，即γ＝c_p/c_v。

在一般的液体中，其压强变化与密度变化之间有着很复杂的关联，是不能用式(1)那样的式子阐述清楚的。但可通过流体介质的体积压缩系数来得出液体中声音的传播速度C_l，由前面的定义：

$C_l^2={\left(\frac{{\mathrm{dp}}_l}{{\mathrm{d\ρ}}_l}\right)}_s=\frac{{\mathrm{dp}}_l}{{\left(\frac{{\mathrm{d\ρ}}_l}{{\mathrm{\ρ}}_l}\right)}_s{\mathrm{\ρ}}_l}---\left(4\right)$

式中：p_l表示液体受到的压强，ρ_l表示液体的密度，s表示绝热状态。考虑到媒质质量一定，则有ρ_ldV_l+V_ldρ_l＝0，即

${\left(\frac{\mathrm{d\ρ}}{\mathrm{\ρ}}\right)}_s=-{\left(\frac{\mathrm{dV}}{V}\right)}_s---\left(5\right)$

代入式(4)，则得到

$C_l^2=\frac{{\mathrm{dp}}_l}{{\left(\frac{d{\mathrm{\ρ}}_l}{{\mathrm{\ρ}}_l}\right)}_s{\mathrm{\ρ}}_l}=\frac{{\mathrm{dp}}_l}{-{\left(\frac{{\mathrm{dV}}_l}{V_l}\right)}_s{\mathrm{\ρ}}_l}=\frac{1}{{\mathrm{\β}}_s{\mathrm{\ρ}}_l}=\frac{K_s}{{\mathrm{\ρ}}_l}---\left(6\right)$

式中，

为相对体积增量；

是绝热环境条件下的体积压缩系数，在绝热环境的条件下，单位压强变化引起的体积相对变化量。显而易见，压强变化方向与体积的变化方向是相反的。

是绝热环境条件下的体积弹性系数。

在液体中混有气体微泡，为统一起见，设气体微泡的浓度为x，则液体中传播时间为：

$t=\frac{L(1-x)}{C_l}+\frac{\mathrm{Lx}}{C_g}$

式中，L为发射与接收换能器之间的距离，C_l为声音在液体中的传播速度，C_g为声音在气体中的传播速度。

在理想纯液体中的传播时间为： $t^{\′}=\frac{L}{C_l}$

则两者的时间差为：

$\mathrm{\Δt}=\frac{L(1-x)}{C_l}+\frac{\mathrm{Lx}}{C_g}-\frac{L}{C_l}$

$=(\frac{1}{C_g}-\frac{1}{C_l})\mathrm{Lx}$

化简之后得：

$\mathrm{\Δt}=L(\frac{1}{\sqrt{\frac{\mathrm{\γRT}}{M}}}-\frac{1}{\sqrt{\frac{K_l}{{\mathrm{\ρ}}_l}}})x$

可见在低浓度液体中，时差与浓度近似成正比。

本发明所达到的有益效果：本发明的超声空化反应及测量装置，设备简单，易于实现，成本较低；使用此装置按照基于时间差的超声空化效应的测量方法进行测量，过程简单，得到的测量结果具有较高的精度。

附图说明

图1为超声空化反应及测量装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的超声空化测量装置包括超声换能器1、反应容器2、第一信号源3和第二信号源4、功率放大器5、检测换能器以及超声传播时间差测量装置。其中，检测换能器包括发射换能器7和接收换能器8。功率放大器5选用高频功率放大器；超声传播时间差测量装置采用数字示波器6；超声换能器为柱状压电陶瓷换能器，滤波器9为自制带通滤波器。超声换能器1置于圆柱形的PVC材料的反应容器2底部，并与反应容器2紧密结合，两者通过螺纹相互拧紧，构成密封的空化反应腔，反应容器2内盛放反应液体水10，超声换能器1驱动后使反应容器2内的水10发生空化效应。整个反应容器2浸于一水槽11中，水槽11液面高于反应容器2口，使反应容器2中的水10和水槽11中的水10相通，以防止空化时放热引起液体温度的变化，保证整个装置在一个较稳定的状态下进行。

第一信号源3的输出端与功率放大器5的输入端相连，第一信号源3产生相应的超声信号，通过功率放大器5进行功率放大以及相应的匹配后，驱动超声换能器1，使空化效应进行。检测用超声信号采用第二信号源4产生的正弦波，频率与发射换能器7、接收换能器8的谐振频率相同，信号的发射与接收装置使用一对频率相同的换能器，相对的嵌于圆柱形反应容器2的器壁之上。接收换能器8获得的信号未经处理时比较杂乱，经滤波器9可滤除多余的杂波，使接收信号纯净，以便于测量。通过数字示波器6显示滤波后的信号，与发射的信号进行比较后，测得相应的传播时间差。在时间差测量上，以不同声强下测得的超声传播时间与未加超声时的传播时间之差Δt作为时差测量信号。

下面以一具体实施例为例，详细说明使用本发明的装置检测液体空化效应与声强的变化关系的步骤：

本实施方式中换能器1的谐振频率为494.74kHz，发射换能器7与接收换能器8的谐振频率为1MHz，用数字示波器6采集和读取实验数据。

(1)使用图1的装置，向反应容器2中加入适量的水10，并将整个超声换能器1置于水10中。

(2)用第一信号源3产生频率为494.74kHz的正弦信号，幅度为3V，并与功率放大器5相连，放大后驱动超声换能器1。

(3)用第二信号源4产生一个频率为1M的正弦波。若按通常的超声检测惯例，输出一个单脉冲的方波，驱动超声换能器工作，则接收换能器接收到的超声换能器受到很大的干扰，而且很难滤除，而本实施方式中较佳的方案是使用正弦波后，接收端的信号比较稳定，同时由于通道L较短，微泡浓度较低，所测得的时间差在ns级，而输出信号的周期在μs级，不存在无法确定传播时间差是否经过多个周期的问题。

(4)将整个装置连接好后，打开功率放大器5开关，进行测量。每个声功率加到超声换能器1上后，工作一分钟，使空化效应达到稳定后，间隔30m快速测量3组数据，计算平均传播时间，防止反应时间过长引起水温的变化，影响测量结果。

(5)用数字示波器6采集并获取测量数据。

(6)维持测量条件不变，改变功率放大器5输出功率。重复上述测量步骤(1)-(4)，测定不同功率下，超声的传播时间t。

(7)计算得出不同声功率下的超声的传播时间与未空化时的传播时间差Δt。

在一定范围内，超声换能器所发射的声功率尚未达到声空化效应饱和点时，超声换能器的输入功率与超声换能器发射的声功率成正比，声功率与空化效应成正比，当所加电功率足够大时，空化效应趋向饱和，超声传播时间差趋向平缓。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种超声空化反应测量装置，其特征是，包括

盛放反应液体的反应容器，

与所述反应容器紧密结合并驱动反应容器内液体发生空化效应的超声换能器，

嵌于所述反应容器的器壁中的检测换能器，

信号发生装置发出的信号经功率放大装置后驱动所述超声换能器，

另一信号发生装置发出的信号驱动所述检测换能器，

超声传播时间差测量装置采集读取检测换能器的信息。

2.根据权利要求1所述的一种超声空化反应测量装置，其特征是，所述检测换能器包括发射换能器和接收换能器，发射换能器和接收换能器相对地嵌于反应容器的器壁中，其间距为检测信号的传播距离L。

3.根据权利要求2所述的一种超声空化反应测量装置，其特征是，所述另一信号发生装置发出的信号驱动所述发射换能器。

4.根据权利要求2所述的一种超声空化反应测量装置，其特征是，所述超声传播时间差测量装置分别与所述接收换能器端、所述发射换能器端连接。

5.根据权利要求4所述的一种超声空化反应测量装置，其特征是，所述发射换能器经滤波装置与所述超声传播时间差测量装置连接。

6.根据权利要求1所述的一种超声空化反应测量装置，其特征是，所述反应容器浸于一冷却装置中，冷却装置中的液面高于所述反应容器口。

7.根据权利要求1所述的一种超声空化反应测量装置，其特征是，所述超声传播时间差测量装置包括数字示波器。

8.一种基于时差法的超声空化效应测量方法，其特征是，用超声传播时间表征空化效应，以不同声强下测得的超声传播时间与未加超声时的传播时间之差Δt作为时差测量信号。

9.根据权利要求书7中所述的基于时差法的超声空化效应测量方法，其特征是，测量步骤为：

(1)向反应容器中加入适量的液体，并将整个超声换能器置于液体中；

(2)信号发生装置产生的信号经功率放大器放大后驱动超声换能器；

(3)用另一个信号发生装置产生另一个频率的波形信号驱动发射换能器；

(4)每个声功率加到超声换能器上使空化效应达到稳定后，间隔一定时间在水温未发生变化之前快速测量数组数据；

(5)用超声传播时间差测量装置采集并获取测量的数据，计算其平均传播时间；

(6)维持测量条件不变，改变功率放大器输出功率，重复测量步骤(1)-(4)，测定不同功率下超声的传播时间t；

(7)计算得出不同声功率下的超声的传播时间与未空化时的传播时间差即时差测量信号Δt。

10.根据权利要求书8或9中所述的基于时差法的超声空化效应测量方法，其特征是，时差测量信号Δt与液体中所含微量气体的浓度x存在以下关系：

$\mathrm{\Δt}=L(\frac{1}{\sqrt{\frac{\mathrm{\γRT}}{M}}}-\frac{1}{\sqrt{\frac{K_l}{{\mathrm{\ρ}}_l}}})x$

式中，L为发射与接收换能器之间的距离，k_l是绝热环境条件下的液体体积弹性系数，ρ_l为液体密度，R为摩尔气体常数；T为绝对温度；M为气体的分子量；γ为气体的定压比热c_p与定容比热c_v之比，即γ＝c_p/c_v。

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