CN105806471B - 一种超声空化噪声信号测量装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声空化噪声信号测量装置与方法，属于超声空化检测技术领域。该装置是由PVDF压电薄膜传感器装置、超声处理装置和示波器组成，属于超声空化噪声信号研究的技术领域，通过粘有PVDF压电薄膜传感器的背衬与支架螺纹连接，实现对垂直或是水平放置的超声换能器产生的声场进行监测，当一个或多个支架与带有十七个螺纹孔的支撑盘连接时，可对不同位置的超声场进行监测，也可同时对超声场中多个位置的场强进行监测，该方法简单易于操作，并且方法实施的成本较低。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声空化噪声信号的测量装置与方法，可应用于超声空化机理方面的研究领域，属于超声空化检测技术领域。
背景技术
超声空化是指液体中微小气泡在超声场的作用下经历振动、生长和溃灭的过程，即在较大声强作用下，空化空泡在声波负压相作用下长大，在正压相作用下收缩崩溃。基于超声空化机制，其应用也非常广泛，如提高小麦胚芽蛋白质等的溶解特性，促进蛋白质酶解反应、提取多酚等抗氧化剂、降解多糖等。而空化机制研究的最佳入手点是空化空泡。对于空化空泡脉动过程研究，一方面可以采用数值模拟手段，借助数学软件模拟计算空泡脉动过程，但是由于软件的局限性，计算结果与真实情况存在一定差距；另一方面可以采用试验研究，通过高速摄像机采集空泡脉动全过程，虽然可以获得直观的空泡形态，但是一套高速摄影设备价格昂贵，并且不能得到数值结果，不能进行后期的数学分析和建立数学模型。
空化噪声频谱法的原理，是利用超声空化时声能量按频率的重新分配由声压波形的畸变来进行表征的。空化空泡的非线性振动产生了谐波和分谐波分量，一是，稳态空化阶段空泡发生振动，由于空泡大小不一，空泡半径大小的概率分布导致了频谱中包含许多不同频率的分量；二是，瞬态空化阶段空泡闭合时产生会产生冲击波辐射，鉴于空泡的生长消灭具有随机性，许多爆发的激波脉冲总和效果表现为连续的噪声谱。通过频谱分析，所得的谱图能反映空化机制特征，进行实时监测。可对空化空泡伴随的噪声进行跟踪，得到数值谱线，便于后期的数值分析以及液体噪声数据库的建立。现有的技术是采用水听器测量系统对液体空化现象进行测量，但是一套进口的水听器测量系统至少需要上万元，价格较昂贵。
聚偏氟乙烯（PVDF）压电膜具有较高的化学稳定性、低吸湿性、高热稳定性、高耐冲、耐疲劳能力。PVDF压电膜质地柔软、重量轻，与水的声阻抗相近，应用灵敏度高，在厚度方向的伸缩振动的谐频率很高，可以得到较宽的平坦响应，频响宽度远优于普通压电陶瓷换能器。PVDF压电膜制成的PVDF压电薄膜传感器可用于测量空泡脉动伴随的噪声声压信号。
超声空化处理设备种类繁多，有的超声换能器是水平放置的（专利申请号：201110368049.9），有的超声换能器是垂直放置的（专利申请号：201210278709.9），与超声换能器之间的相对方位不同，采集到的声波信号强度就不一样，一般传感器平面与超声换能器平面平行为佳。另外，有的超声设备还不止一个超声换能器（专利申请号：201210278709.9），最好能有多个传感器同时在超声场中进行监测。
发明内容
本发明针对上述现有技术存在的缺陷不足，提供一种超声空化噪声信号测量方法，该方法简单易于操作，并且方法实施的成本较低。
实现本发明技术方案是；
一种超声空化噪声信号测量装置，包括PVDF压电薄膜传感器装置、超声处理装置和示波器，PVDF压电薄膜传感器装置放置在超声处理装置盛有液体的容器内，将PVDF压电薄膜传感器装置中PVDF压电薄膜传感器上铆接的电线连接到示波器上，通过示波器的读数反映超声空化噪声信号；
所述超声处理装置由容器、超声波发生器和超声换能器组成，超声波发生器通过超声换能器进行电能与机械能的转换，发出声波；
所述PVDF压电薄膜传感器装置，包括背衬、支架和支撑盘螺纹，背衬由树脂制成立方体，长为15 mm，宽为10 mm，高为15 mm，PVDF压电薄膜传感器粘合在背衬的工作面上，PVDF压电薄膜传感器上有正电极和负电极，两根电线分别铆接在正电极和负电极上，与工作面相邻的另一表面A上固定一个螺栓A，螺栓A高度为10 mm，直径为6 mm；支架由树脂制成，圆柱体，高度为500 mm，直径为12 mm，支架的底面圆心处有一个螺纹孔A，螺纹孔A深度为10 mm，直径为6 mm，背衬上的螺栓A与支架的底面螺纹连接，背衬的工作面处于垂直状态，与支架的底面距离2 mm处的支架侧面上还有一个螺纹孔B，螺纹孔B深度为10 mm，直径为6 mm，背衬上的螺栓A与支架侧面上的螺纹孔B连接，背衬的工作面处于水平状态，支架的支架上表面圆心处固定一个螺栓B，螺栓B的高度为10 mm，直径为6 mm，与PVDF压电薄膜传感器铆接的电线绕在支架侧面上，然后再在绕有电线的支架外部用防水绝缘胶布包裹；支架上的螺栓B与支撑盘表面上的螺纹孔C螺纹连接，支撑盘由树脂制成，圆盘形，直径为200mm，厚度15 mm，支撑盘表面由两两成45°角的四条直径平均分为8个区域，圆心位置有一个螺纹孔C，以圆心位置的螺纹孔C为中心，沿直径两头方向隔40 mm各有一个螺纹孔C，在一条直径上共有五个螺纹孔C，支撑盘表面分布着十七个螺纹孔C，螺纹孔C深度为10 mm，直径为6 mm；用铁架台夹住支撑盘的端部，放入超声处理装置盛有液体的容器内；绕过支架后的电线与50 Ω的电阻并联，一个PVDF压电薄膜传感器就并联一个电阻，并将电线与示波器上一个通道的探头连接，多个PVDF压电薄膜传感器则需要与示波器上多个通道的探头连接。
基于上述一种超声空化噪声信号测量装置的检测方法，按照下述步骤进行：
（1）先在立方体形状的树脂背衬工作面上均匀涂抹一层厚度为10 μm—30 μm的AB胶，与工作面相邻的另一个表面A上固定一个螺栓A，螺栓A高度为10 mm，直径为6 mm，背衬工作面的尺寸根据PVDF压电薄膜传感器的尺寸来决定，保证PVDF压电薄膜传感器能完整地粘合在背衬工作面上，背衬宽度为10 mm，对于背衬来说，尺寸越小越好，可以避免尺寸过大而对流场产生扰动；然后迅速将PVDF压电薄膜传感器紧密贴合在背衬工作面上，再在PVDF压电薄膜传感器四周均匀涂抹一层AB胶，厚度为10 μm—1 mm，露出PVDF压电薄膜传感器工作的表面。
（2）PVDF压电薄膜传感器一侧有正电极和负电极，两根电线分别铆接在正电极和负电极上，电线长度为2 m，用作声压信号的输出，为防止正电极和负电极在液体中作业时短路，用AB胶均匀涂抹正电极和负电极以及与它们铆接的两根电线端头，涂抹的AB胶厚度为50 μm，静置24 h后再开始使用，一方面起到防水效果，另一方面也可保护PVDF压电薄膜传感器，提高其使用寿命。
（3）接着将与正电极和负电极铆接的这两根电线绕在与背衬螺纹连接的支架上，然后再在绕有电线的支架外部用防水绝缘胶布包裹，防止电线在液体中短路或导电；支架为圆柱体，高500 mm，直径为12 mm，由树脂制成，支架底面圆心处有一个螺纹孔A，螺纹孔A深度为10 mm，直径为6 mm，当背衬上螺栓A连接在支架底面时，背衬工作面处于垂直状态，可实现对垂直放置的超声换能器产生的声场进行监测；在距离支架底面2 mm处的支架侧面上还有一个螺纹孔B，螺纹孔B深度为10 mm，直径为6 mm，当背衬上螺栓A连接在支架侧面上的螺纹孔B时，背衬工作面朝下，可实现对水平放置的超声换能器产生的声场进行监测，支架上表面圆心处固定一个螺栓B，螺栓B高度为10 mm，直径为6 mm。
（4）支架上的螺栓B与支撑盘表面上的螺纹孔C螺纹连接，该支撑盘为圆盘形，由树脂制成，支撑盘直径为200 mm，厚度15 mm，支撑盘表面由两两成45°角的四条直径平均分为8个区域，圆心位置有一个螺纹孔C，以圆心位置的螺纹孔C为中心，沿直径两头方向隔40 mm有一个螺纹孔C，在一条直径上共有五个螺纹孔C，支撑盘表面均匀分布着十七个螺纹孔C，螺纹孔C深度为10 mm，直径为6 mm，将一个支架与支撑盘螺纹连接，可实现对不同位置的超声场进行监测，当有两个或多个粘有PVDF压电薄膜传感器的支架时，也可实现同时对超声场中某个或多个位置的场强进行监测，最后用铁架台夹住支撑盘的端部，放入超声处理装置盛有液体的容器内。
（5）随后将绕过支架后的电线与50 Ω的电阻并联，一个PVDF压电薄膜传感器就并联一个电阻，提高测试时输出的稳定性和灵敏度，并将电线与示波器上一个通道的探头连接，多个PVDF压电薄膜传感器则需要与示波器上多个通道的探头连接，通过示波器将采集到的一个或多个声波电压信号显示出来。
本发明与现有技术相比具有以下的优点。
（1）该方法简单易于操作，并且方法实施的成本较低。
（2）可对垂直放置的超声换能器产生的声场进行监测，也可对水平放置的超声换能器产生的声场进行监测。
（3）可对不同位置的超声场进行监测，也可同时对超声场中某个或多个位置的场强进行监测。
附图说明
图1为背衬1示意图。
图2为支架2示意图。
图3为支架2仰视图。
图4为支撑盘3仰视图。
图5为支撑盘3示意图。
图6为对垂直放置的超声换能器43产生的声场进行监测示意图。
图7为对水平放置的超声换能器43产生的声场进行监测示意图。
图8为对多个超声换能器43产生的声场进行监测示意图。
其中，1、背衬， 10、PVDF压电薄膜传感器 11、工作面 12、表面A 13、螺栓A14、正电极 15、负电极 16、电线 2、支架 20、底面 21、螺纹孔A 22、支架侧面 23、螺纹孔B 24、支架上表面 25、螺栓B 3、支撑盘 30、螺纹孔C 31、端部 41、容器 42、超声波发生器 43、超声换能器 5、示波器 6、铁架台 7、电阻。
具体实施方式
为更好说明本专利的目的、技术方案和优点，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
一种超声空化噪声信号测量装置，包括PVDF压电薄膜传感器装置、超声处理装置和示波器5，PVDF压电薄膜传感器装置放置在超声处理装置盛有液体的容器41内，将PVDF压电薄膜传感器装置中PVDF压电薄膜传感器10上铆接的电线16连接到示波器5上，通过示波器5的读数反映超声空化噪声信号；所述超声处理装置由容器41、超声波发生器42和超声换能器43组成，超声波发生器42通过超声换能器43进行电能与机械能的转换，发出声波；所述PVDF压电薄膜传感器装置，由背衬1、支架2和支撑盘3螺纹连接而成。
图1为背衬1示意图，该背衬1由树脂制成，立方体，长为15 mm，宽为10 mm，高为15mm，PVDF压电薄膜传感器10粘合在背衬1的工作面11上，PVDF压电薄膜传感器10上有正电极14和负电极15，两根电线16分别铆接在正电极14和负电极15上，与工作面11相邻的另一表面A12上固定一个螺栓A13，螺栓A13高度为10 mm，直径为6 mm。
图2为支架2示意图，该支架2由树脂制成，圆柱体，高度为500 mm，直径为12 mm，支架2的底面20圆心处有一个螺纹孔A21，如图3支架2仰视图所示，螺纹孔A21深度为10 mm，直径为6 mm，背衬1上的螺栓A13与支架2的底面20螺纹连接，背衬1的工作面11处于垂直状态，与支架2的底面20距离2 mm处的支架侧面22上还有一个螺纹孔B23，螺纹孔B23深度为10mm，直径为6 mm，背衬1上的螺栓A13与支架侧面22上的螺纹孔B23连接，背衬1的工作面11处于水平状态，支架2的支架上表面24圆心处固定一个螺栓B25，螺栓B25的高度为10 mm，直径为6 mm，与PVDF压电薄膜传感器10铆接的电线16绕在支架侧面22上，然后再在绕有电线16的支架2外部用防水绝缘胶布包裹；支架2上的螺栓B25与支撑盘3表面上的螺纹孔C30螺纹连接。
图4为支撑盘3仰视图，该支撑盘3由树脂制成，圆盘形，直径为200 mm，厚度15 mm，支撑盘3表面由两两成45°角的四条直径平均分为8个区域，圆心位置有一个螺纹孔C30，以圆心位置的螺纹孔C30为中心，沿直径两头方向隔40 mm各有一个螺纹孔C30，在一条直径上共有五个螺纹孔C30，支撑盘3表面分布着十七个螺纹孔C30，螺纹孔C30深度为10 mm，直径为6 mm；用铁架台6夹住支撑盘3的端部31，如图5支撑盘3示意图所示，再放入超声处理装置盛有液体的容器41内；绕过支架2后的电线16与50 Ω的电阻7并联，一个PVDF压电薄膜传感器10就并联一个电阻7，并将电线16与示波器5上一个通道的探头连接，多个PVDF压电薄膜传感器10则需要与示波器5上多个通道的探头连接。
实施例1
如图6所示，对垂直放置的超声换能器43产生的声场进行监测，先在立方体形状的树脂背衬1工作面11上均匀涂抹一层厚度为10 μm—30 μm的AB胶，与工作面11相邻的另一个表面A12上固定一个螺栓A13，螺栓A13高度为10 mm，直径为6 mm，PVDF压电薄膜传感器10的尺寸为10 mm×10 mm×30 μm，保证PVDF压电薄膜传感器10能完整地粘合在背衬1工作面11上，背衬1宽度为10 mm，然后迅速将PVDF压电薄膜传感器10紧密贴合在背衬1工作面11上，再在PVDF压电薄膜传感器10四周均匀涂抹一层AB胶，厚度为10 μm—1 mm，露出PVDF压电薄膜传感器10工作的表面；PVDF压电薄膜传感器10一侧有正电极14和负电极15，两根电线16分别铆接在正电极14和负电极15上，电线16长度为2 m，用作声压信号的输出，为防止正电极14和负电极15在液体中作业时短路，用AB胶均匀涂抹正负电极以及与它们铆接的两根电线16端头，涂抹的AB胶厚度为50 μm，接着将电线16绕在与背衬1螺纹连接的支架2上，然后再在绕有电线16的支架2外部用防水绝缘胶布包裹，防止电线16在液体中短路或导电；支架2为圆柱体，高500 mm，直径为12 mm，由树脂制成，支架2底面20圆心处有一个螺纹孔A21，螺纹孔A21深度为10 mm，直径为6 mm，将背衬1上螺栓A13连接在支架2底面20时，保证背衬1工作面11处于垂直状态，支架上表面24圆心处固定一个螺栓B25，螺栓B25高度为10mm，直径为6 mm；支撑盘3为圆盘形，由树脂制成，支撑盘3直径为200 mm，厚度15 mm，支撑盘3表面由两两成45°角的四条直径平均分为8个区域，圆心位置有一个螺纹孔C30，以圆心位置的螺纹孔C30为中心，沿直径两头方向隔40 mm有一个螺纹孔C30，在一条直径上共有五个螺纹孔C30，支撑盘3表面均匀分布着十七个螺纹孔C30，螺纹孔C30深度为10 mm，直径为6mm，支架2与支撑盘3圆心位置的螺纹孔C30螺纹连接，用铁架台6夹住支撑盘3的端部31，放入超声处理装置盛有液体的容器41内；随后将绕过支架2后的电线16与50 Ω的电阻7并联，提高测试时输出的稳定性和灵敏度，并将电线16与示波器5上一个通道的探头连接，通过示波器5将采集到的一个或多个声波电压信号显示出来。
实施例2
如图7所示，对水平放置的超声换能器43产生的声场进行监测，与上述实施例一区别在于，在距离支架2底面2 mm处的支架侧面22上还有一个螺纹孔B23，螺纹孔B23深度为10mm，直径为6 mm，将背衬1上螺栓A13与支架侧面22上的螺纹孔B23，并确保背衬1工作面11朝下，即可实现对水平放置的超声换能器43产生的声场进行监测。
实施例3
如图8所示，同时对垂直放置的两个超声换能器43产生的声场进行监测，与上述实施例一区别在于，需要同时准备两个粘有PVDF压电薄膜传感器10的支架2与支撑盘3表面上两个螺纹孔C30螺纹连接，连接哪个位置的螺纹孔C30则根据PVDF压电薄膜传感器10工作的表面与超声换能器43表面的距离而定，即可实现同时对超声场中两个位置的场强进行监测，若有多个粘有PVDF压电薄膜传感器10的支架2，即可实现同时对超声场中多个位置的场强进行测量。
Claims (1)
1.基于一种超声空化噪声信号测量装置的检测方法，其包括PVDF压电薄膜传感器装置、超声处理装置和示波器，PVDF压电薄膜传感器装置放置在超声处理装置盛有液体的容器内，将PVDF压电薄膜传感器装置中PVDF压电薄膜传感器上铆接的电线连接到示波器上，通过示波器的读数反映超声空化噪声信号；
所述超声处理装置由容器、超声波发生器和超声换能器组成，超声波发生器通过超声换能器进行电能与机械能的转换，发出声波；
所述PVDF压电薄膜传感器装置，包括背衬、支架和支撑盘螺纹， PVDF压电薄膜传感器粘合在背衬的工作面上，PVDF压电薄膜传感器上有正电极和负电极，两根电线分别铆接在正电极和负电极上，与工作面相邻的另一表面A上固定一个螺栓A，螺栓A高度为10 mm，直径为6 mm；支架的底面圆心处有一个螺纹孔A，螺纹孔A深度为10 mm，直径为6 mm，背衬上的螺栓A与支架的底面螺纹连接，背衬的工作面处于垂直状态，与支架的底面距离2 mm处的支架侧面上还有一个螺纹孔B，螺纹孔B深度为10 mm，直径为6 mm，背衬上的螺栓A与支架侧面上的螺纹孔B连接，背衬的工作面处于水平状态，支架的支架上表面圆心处固定一个螺栓B，螺栓B的高度为10 mm，直径为6 mm，与PVDF压电薄膜传感器铆接的电线绕在支架侧面上，然后再在绕有电线的支架外部用防水绝缘胶布包裹；支架上的螺栓B与支撑盘表面上的螺纹孔C螺纹连接，支撑盘表面由两两成45°角的四条直径平均分为8个区域，圆心位置有一个螺纹孔C，以圆心位置的螺纹孔C为中心，沿直径两头方向隔40 mm各有一个螺纹孔C，在一条直径上共有五个螺纹孔C，支撑盘表面分布着十七个螺纹孔C，螺纹孔C深度为10 mm，直径为6mm；用铁架台夹住支撑盘的端部，放入超声处理装置盛有液体的容器内；绕过支架后的电线与50 Ω的电阻并联，一个PVDF压电薄膜传感器就并联一个电阻，并将电线与示波器上一个通道的探头连接，多个PVDF压电薄膜传感器则需要与示波器上多个通道的探头连接；
所述背衬由树脂制成，立方体，长为15 mm，宽为10 mm，高为15 mm；
所述支架由树脂制成，圆柱体，高度为500 mm，直径为12 mm；
所述支撑盘由树脂制成，圆盘形，直径为200 mm，厚度15 mm；
其特征在于按照下述步骤进行：
（1）先在立方体形状的树脂背衬工作面上均匀涂抹一层厚度为10 μm—30 μm的AB胶，与工作面相邻的另一个表面A上固定一个螺栓A，螺栓A高度为10 mm，直径为6 mm，背衬工作面的尺寸根据PVDF压电薄膜传感器的尺寸来决定，保证PVDF压电薄膜传感器能完整地粘合在背衬工作面上，背衬宽度为10 mm，对于背衬来说，尺寸越小越好，可以避免尺寸过大而对流场产生扰动；然后迅速将PVDF压电薄膜传感器紧密贴合在背衬工作面上，再在PVDF压电薄膜传感器四周均匀涂抹一层AB胶，厚度为10 μm—1 mm，露出PVDF压电薄膜传感器工作的表面；
（2）PVDF压电薄膜传感器一侧有正电极和负电极，两根电线分别铆接在正电极和负电极上，电线长度为2 m，用作声压信号的输出，为防止正电极和负电极在液体中作业时短路，用AB胶均匀涂抹正电极和负电极以及与它们铆接的两根电线端头，涂抹的AB胶厚度为50 μm，静置24 h后再开始使用，一方面起到防水效果，另一方面也可保护PVDF压电薄膜传感器，提高其使用寿命；
（3）接着将与正电极和负电极铆接的这两根电线绕在与背衬螺纹连接的支架上，然后再在绕有电线的支架外部用防水绝缘胶布包裹，防止电线在液体中短路或导电；支架为圆柱体，高500 mm，直径为12 mm，由树脂制成，支架底面圆心处有一个螺纹孔A，螺纹孔A深度为10 mm，直径为6 mm，当背衬上螺栓A连接在支架底面时，背衬工作面处于垂直状态，可实现对垂直放置的超声换能器产生的声场进行监测；在距离支架底面2 mm处的支架侧面上还有一个螺纹孔B，螺纹孔B深度为10 mm，直径为6 mm，当背衬上螺栓A连接在支架侧面上的螺纹孔B时，背衬工作面朝下，可实现对水平放置的超声换能器产生的声场进行监测，支架上表面圆心处固定一个螺栓B，螺栓B高度为10 mm，直径为6 mm；
（4）支架上的螺栓B与支撑盘表面上的螺纹孔C螺纹连接，该支撑盘为圆盘形，由树脂制成，支撑盘直径为200 mm，厚度15 mm，支撑盘表面由两两成45°角的四条直径平均分为8个区域，圆心位置有一个螺纹孔C，以圆心位置的螺纹孔C为中心，沿直径两头方向隔40 mm有一个螺纹孔C，在一条直径上共有五个螺纹孔C，支撑盘表面均匀分布着十七个螺纹孔C，螺纹孔C深度为10 mm，直径为6 mm，将一个支架与支撑盘螺纹连接，可实现对不同位置的超声场进行监测，当有两个或多个粘有PVDF压电薄膜传感器的支架时，也可实现同时对超声场中某个或多个位置的场强进行监测，最后用铁架台夹住支撑盘的端部，放入超声处理装置盛有液体的容器内；
（5）随后将绕过支架后的电线与50 Ω的电阻并联，一个PVDF压电薄膜传感器就并联一个电阻，提高测试时输出的稳定性和灵敏度，并将电线与示波器上一个通道的探头连接，多个PVDF压电薄膜传感器则需要与示波器上多个通道的探头连接，通过示波器5将采集到的一个或多个声波电压信号显示出来。
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