CN102249367B - 水处理中超声声强检测与控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水处理中超声声强检测与控制方法，利用水处理中超声声强检测与控制系统对水处理中功率放大器的输出进行监控，若所测声强偏离基准声强时，本系统自动对功率放大器的输出功率进行调整，使超声水处理系统的声强始终保持为设置的基准值，从而为超声水处理的研究提供一种声强自动稳定的系统，保证超声换能器的使用寿命。同时通过对声强参数的测量，可实现不同工作频率的超声换能器能够在相同的声强参数下进行水处理，从而可用于解决现有水处理技术中因缺少重要参数而无法研究影响降解因素的问题。

Description

水处理中超声声强检测与控制方法

技术领域

本发明涉及一种水处理中对超声声强进行检测与控制的方法，属于超声检测与控制技术领域。

背景技术

近年来，超声学是声学发展中应用最为广泛的部分，而功率超声技术是超声学中一个最重要的分支，其工作原理就是通过超声能量对物质的作用来改变或加速改变物质的一些物理、化学和生物特性或状态。在功率超声技术中，声强是一个非常重要的物理量，其值的测量对于超声换能器的研制以及功率超声的应用，如超声清洗、超声医疗和超声水处理等研究有着非常重要的影响。目前，液体中超声声强的测量方法主要有：热敏探头法、辐射力法、声压换算法等。

(1)热敏探头法

将特殊设计的热电偶或热敏电阻与声吸收材料等构成的超声探头置于待测声场的测试点上，测定热电偶的输出电压或热敏电阻的电阻值变化量，从而可测量超声声场中特定点处的相对声强值。

(2)辐射力法

一种是通过测量平面的或聚焦的超声行波作用于声场中的弹性体小球上的辐射力F与小球所处位置上的声强有下述关系：

I＝Fc/(πa²Y)                    (1)

式中：c-媒质中的声速(m/s)；a-弹性体小球的半径(m)；

      Y-小球的声辐射力函数。

另一种就是通过两次曝光全息摄影法测量由声波的辐射压力所引起的液面起伏的高度，并由此计算液面的声强分布和辐射声功率。

(3)声压换算法

一般假定在平面波(或)球面波传播条件得到满足的条件下，则可以将所测到的瞬时声压参数换算成真实的声强。而在水中或者其他液体中测量声压，可使用超声接收换能器法，并且一般是选用水听器。根据公式(2)可以得到声场中某点的瞬时声压：

p(t)＝u_L(t)/M_L                (2)

式中：u_L-水听器电缆末端电压(V)；M_L-水听器电缆末端有载灵敏度(V/Pa)，然后通过公式(3)声压换算法，可推导出声强，

I(t)＝p²(t)/(ρc)             (3)

式中：ρ-媒质的密度(kg/m³)；c-媒质的声速(m/s)，

$I\left(t\right)={u_L}^2\left(t\right)/(\mathrm{\ρc}*M_L^2)---\left(4\right)$

上述的这些方法均可以实现液体中声强参数的测量，热敏探头法对探头的工艺设计要求较复杂，且对环境温度要求较高；辐射力法中对声强参数进行测量时需要三维定位系统、水平方向的光学测高计、脉冲激光器和全息记录干板等，对实验条件有较高的要求；声压换算法一般是利用水听器将声压信号转换为电信号，操作简单方便，且易于与数字化仪器或者其他智能系统相连接，实现智能化。

目前，声压换算法是液体中声强参数测量应用最广泛的一种手段，如用于考察超声声强对乳状液破乳、对污油破乳脱水以及对污泥后续厌氧消化等方面的影响以及利用声压换算法测量声强的原理设计开发医用中测量超声诊断设备声输出参数的系统。

但是，目前对于超声水处理中声强参数的测量还缺乏较好的可使声强自动稳定的方案，以保证超声换能器的使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超声水处理中可使声强自动稳定的方法，保证超声换能器的使用寿命。同时通过对声强参数的测量，可实现不同工作频率的超声换能器能够在相同的声强参数下进行水处理，从而可用于解决现有水处理技术中因缺少重要参数而无法研究影响降解因素的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种水处理中超声声强检测与控制系统，包括步进电机控制模块、声强信号采集模块、声强信号处理模块以及信号反馈控制模块。并提供了一种水处理中超声声强检测与控制方法，其特征是，包括如下步骤：

(1)根据理论推导出超声换能器作为声源时使声压振幅为极大值的距离，然后通过步进电机对声强信号采集模块的位置进行找寻，寻求声强信号采集模块的最佳位置点；

(2)将声强信号采集模块设置在已经寻求到的最佳位置采集信号；

(3)声强信号采集模块采集的信号通过声强信号处理模块进行处理，然后提取与所述超声换能器相同工作频率的信号峰值；

(4)对提取的信号峰值进行声强换算，与预设的基准声强作比较，根据比较结果由MCU反馈控制功率放大器调制信号的占空比。

所述步进电机由步进电机驱动器控制。

所述声强信号采集模块包括水听器。

所述声强信号处理模块包括电压跟随器、放大器以及ADC。

所述MCU与一显示装置连接。显示装置优选液晶显示装置。

所述MCU与一外部输入控制装置连接。所述外部输入控制装置优选按键控制。

步进电机驱动器与MCU连接。

所述MCU包含信号反馈控制模块，由所述信号反馈控制模块对已提取到的信号峰值进行声强换算，并与预设基准值进行比较，调节调制信号的占空比。

本发明所达到的有益效果：本发明的水处理中超声声强检测与控制方法用于对水处理中功率放大器的输出进行监控，系统方案的主要特点有：一是利用步进电机控制水听器位置的移动，寻找可使声压振幅为极大值的点；二是利用水听器采集超声水处理系统中的关键参数声强；三是对采集到的声强进行实时处理并且与基准声强进行比较，若所测声强偏离基准声强时，本系统自动对功率放大器的输出功率进行调整，使超声水处理系统的声强始终保持为设置的基准值，从而为超声水处理的研究提供一种声强自动稳定的系统方案，实现超声水处理中声强自动稳定，保证超声换能器的使用寿命。同时通过对声强参数的测量，可实现不同工作频率的超声换能器能够在相同的声强参数下进行水处理，从而可用于解决现有水处理技术中因缺少重要参数而无法研究影响降解因素的问题。

附图说明

图1本发明系统方案的示意图；

图2本发明声强测量装置的示意图。

图中，MCU1、功率放大器2、超声换能器3、水听器4、步进电机驱动器5、步进电机6、电压跟随器7、放大器8、ADC9、液晶显示10、按键控制11、连轴器12、滚珠丝杠13、螺母14、金属杆15、吸声材料16、水槽17。

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，本发明水处理中超声声强检测与控制系统包括MCU1、功率放大器2、超声换能器3、水听器4、步进电机驱动器5、步进电机6、电压跟随器7、放大器8、ADC9、液晶显示10和按键控制11。

如图2所示，本发明声强测量装置包含超声换能器3、水听器4、步进电机6、连轴器12、滚珠丝杠13、螺母14、金属杆15、吸声材料16和水槽17。水槽17内盛有除气水作为介质，并在水槽17内部周围安放吸声材料16，以减小回波的干扰，然后根据理论推导出超声换能器3作为声源时使声压振幅为极大值的距离，然后通过步进电机6进行找寻，寻求水听器4的最佳位置。

如图1、图2所示，本发明是基于现有技术中的声压换算法的一种水处理中超声声强检测与控制方法。超声换能器3被功率放大器2激励后，可以看成活塞式声源，因为它沿平面的法线方向振动时，其面上各点的振动速度幅值和相位都是相同的。声场的直接测量一般比较复杂，因此本发明中主要是通过测量声源中心轴上的声强来预计水处理中超声换能器3的近声场特性。假设超声换能器3是一个半径为a的圆形平面活塞，工作频率为f，水中的声速为c₀，水听器4距离声源中心的位置为z，则由下面公式(5)可描述声源中心轴上声压振幅A随离开活塞中心的距离而变化的规律。

$A=\left|\sin \frac{k}{2}(R-z)\right|---\left(5\right)$

其中：

为波数，

由公式(5)可以看出当距离z比较小时，极大值与极小值分布很密集，因此并不利于水听器4进行声强参数的采集。当z比较大，以至z＞2a时，正弦函数中的幅角可以展开成级数，并取其近似，得到公式(6)：

$A=\left|\sin \frac{k}{2}(R-z)\right|\≈\left|\sin \frac{{\mathrm{ka}}^2}{4z}\right|=\left|\sin (\frac{\mathrm{\π}}{2}*\frac{z_g}{z})\right|---\left(6\right)$

其中：

由公式(6)可知，在z＝z_g的位置上存在声压振幅极大值。不过在超声水处理中该位置的确定还与声压振幅的平均值相关，且频率越大，z_g也越大，则相应水处理中的平均声强较小，测量意义不大，因此一般根据频率大小相应选取

的位置安放水听器4进行声强参数的测量。本发明中水听器4的安置就是根据上述的理论推导值来确定大概的位置。

在本发明方案中，当系统启动时，首先对声强参数、工作频率、运行时间等系统参数进行初始化设置，然后选择运行模式。一般是先选择寻点模式，寻找水听器4最佳位置，若是相同工作频率的超声换能器3进行水处理时，则可以略去该步骤；其次是选择控制模式，控制运行时的声强变化，最终实现超声换能器3在水处理时声强自动稳定功能。

当系统通过按键控制11选择寻点的运行模式，则启动相应的程序由MCU1给步进电机驱动器5提供脉冲信号，通过滚珠丝杠13可将步进电机6产生的回转运动转换为直线运动，由滚珠丝杠13上的螺母14带动金属杆15和水听器4进行法线方向上位置的移动，来确定使声压振幅为极大值的位置，并且可通过液晶显示10上显示的声强参数可以观测到其值的变化。当不同工作频率的超声换能器3在进行水听器4信号采集前，均可采用上述的方法确定最佳的水听器4位置。

若确定水听器4的最佳位置，系统则需进行超声换能器3的声强采集与控制，此时利用水听器4进行采集，通过采集水听器4前端压电材料上压力变化而转化出来的电压信号来实现。由于水听器4采集到的电压值较小，大都均为mV级，因此在送入ADC9之前需要进行峰值放大。为了确保前后级不受影响，一般都要加入电压跟随器7，然后再通过放大器8对电压信号进行峰值放大，最终送入ADC9。

本发明中采用MCU1自带的ADC9进行信号峰值采样，也可外接符合要求的ADC9。当ADC9采样到水听器4所接收到的信号峰值时，取出其中的峰值数据，并进行衰减和均值滤波处理，得到水听器4的输出峰值。由于水听器4采集到的信号进入ADC9之后，均为离散值，则需将现有技术中的声压换算法的声压公式(4)变换为公式(7)，计算出平均声强值：

$\stackrel{\‾}{I}=({u_{L\max }}^2/(\mathrm{\ρc}*M_L^2))*D---\left(7\right)$

式中：D-功率放大器调制信号的占空比，因此可计算出平均声强值，并通过液晶显示10显示出来。在MCU1中预置有基准声强，当所测到的声强超出预设的基准声强的一定范围时，则会自动调节功率放大器调制信号的占空比，以便能实现声强的自动稳定。

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 (8)

1. 一种水处理中超声声强检测与控制方法，其特征是，包括如下步骤：

（1）根据理论推导出超声换能器作为声源时使声压振幅为极大值的距离，然后通过步进电机对声强信号采集模块的位置进行找寻，寻求声强信号采集模块的最佳位置点； 

（2）将声强信号采集模块设置在已经寻求到的最佳位置点采集信号；

所述声强信号采集模块包括水听器，水听器安置在可使声压振幅为极大值的点；

（3）声强信号采集模块采集的信号通过声强信号处理模块进行处理，然后提取与所述超声换能器相同工作频率的信号峰值；

（4）对提取的信号峰值进行声强换算，与预设的基准声强作比较，根据比较结果由MCU反馈控制功率放大器调制信号的占空比。

2.根据权利要求1所述的水处理中超声声强检测与控制方法，其特征是，所述步进电机由步进电机驱动器控制。

3.根据权利要求1所述的水处理中超声声强检测与控制方法，其特征是，所述声强信号处理模块包括电压跟随器、放大器以及ADC。

4.根据权利要求1所述的水处理中超声声强检测与控制方法，其特征是，所述MCU与一显示装置连接。

5.根据权利要求1所述的水处理中超声声强检测与控制方法，其特征是，所述MCU与一外部输入控制装置连接。

6.根据权利要求6所述的水处理中超声声强检测与控制方法，其特征是，所述外部输入控制装置为按键控制。

7.根据权利要求2所述的水处理中超声声强检测与控制方法，其特征是，步进电机驱动器与MCU连接。

8.根据权利要求1所述的水处理中超声声强检测与控制方法，其特征是，所述MCU包含信号反馈控制模块，由所述信号反馈控制模块对已提取到的信号峰值进行声强换算，并与预设基准值进行比较，调节调制信号的占空比。

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