CN107014476A - 一种利用声悬浮液滴测量液体中声压振幅的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用声悬浮液滴测量液体中声压振幅的方法。该方法首先将连续相液体加入透明矩形槽体，使用微量移液器向连续相液体中滴加微小不互溶液滴，开启超声波换能器并调节功率放大器输出功率，使液滴在连续相液体中恰好悬浮；通过设置在矩形槽侧方位的高速摄像仪拍摄微小液滴的图片1，随后使高速摄像仪沿其焦距方向水平移动，拍摄设有刻度的槽体前面板的图片2，对图片1和2进行图像处理分析，数据化液滴在该电功率下的悬浮位置，增大功率放大器输出功率，依次得到微小液滴在不同电功率下的悬浮位置，最终通过理论公式反算得到不同超声电功率下声压振幅大小。本发明的声压振幅测量方法克服了水听器测量声压振幅存在的诸多问题，且准确性好、适用性强。

Description

一种利用声悬浮液滴测量液体中声压振幅的方法

技术领域

本发明涉及一种利用声悬浮液滴测量液体中声压振幅的方法，用于测量连续相液体中的声压振幅，属于声学测量技术领域。

背景技术

声压参数是众多工程应用与实验研究中的关键参数，因此声压参数的测量一直是声学测量技术中研究的重点。目前液体中声压振幅的测量主要采用声强测量仪法与水听器法，其中，声强测量仪法测量声压振幅的基本原理为利用声强测量仪测量得到给定电功率条件下液体中的声强值，再根据声强I与声压振幅P_a之间的换算关系，即得到液体中声压振幅的大小。但由于声强测量仪体积较大，致使在测量较小体积内的声压振幅时严重改变了原有声场，测量结果与实际情况严重不符。基于水听器法的测量方式主要包括两种：压电水听器法和光纤水听器法。压电水听器法能较准确的测量较低功率下的声压振幅，但在高功率条件下测量点处产生温度上升、冲击波、声流与声空化等非线性效应容易造成传感器灵敏度下降，甚至损坏水听器，且由于水听器自身有一定的体积，会对原有连续相液体中的声场分布产生一定的干扰，也使得声压振幅的测量值不准确；光纤水听器法需要在测量处放置光纤传感器，由于光纤传感器与连续相液体之间往往存在空隙，空隙中的气体充当了空化核，这极易使测量处产生空化，导致测量结果与实际声压振幅不一致。因此设计一种准确性好适用性强的悬浮液滴声压振幅测量方法十分必要。

发明内容

本发明提供了一种利用声悬浮液滴测量液体中声压振幅的方法，用于测量连续相液体中声压振幅的大小，为声压测量提供一种准确性好适用性强的新方法。

本发明所采用的技术方案如下：一种利用声悬浮液滴测量液体中声压振幅的方法，其特征在于包括以下步骤：该方法首先将连续相液体加入前面板设有刻度的透明矩形槽体，使用微量移液器向连续相液体中滴加微小的与连续相液体不互溶的液滴，开启位于矩形透明槽体底部的超声波换能器，并通过功率放大器调节超声波换能器的输出功率，使得液滴在连续相液体中恰好悬浮；通过设置在矩形槽侧方位的高速摄像仪拍摄微小液滴的图片1，此时小液滴位于高速摄像仪的焦距处；随后使高速摄像仪沿其焦距方向水平移动，使矩形槽体的刻度位于高速摄像仪的焦距处，拍摄矩形槽体前面板的图片2，对图片1和图片2进行图像处理分析，数据化液滴在该电功率下的悬浮位置；逐渐增大功率放大器输出功率，依次得到微小液滴在不同电功率下的悬浮位置，高速摄像仪重复拍摄微小液滴与前面板的图片，进行图像处理，数据化液滴在不同电功率下的悬浮位置；最后通过液滴的悬浮位置来反算连续相中不同超声电功率下声压振幅的大小，位置越接近压力波节，连续相中的声压振幅越大。

进一步，如上述所述的利用声悬浮液滴测量液体中声压振幅的方法，其中，所述加入矩形槽体中的连续相液体高度为连续相液体中半波长的整数倍，以此在连续相液体中建立驻波场。

进一步，如上述所述的利用声悬浮液滴测量液体中声压振幅的方法，其中，所述使用微量移液器向连续相液体中滴加微小不互溶液滴，通过实验研究发现，液滴粒径的大小对悬浮位置没有影响，这里推荐施加的液滴直径大小在700μm到2400μm之间。

进一步，如上述所述的利用声悬浮液滴测量液体中声压振幅的方法，其中，所述调节功率放大器的输出功率，使得液滴在液体中恰好悬浮，此处液滴恰好悬浮的超声电功率为悬浮液滴需要的最小功率，对应液滴的悬浮位置为压力波节下方λ/8处。

进一步，如上述所述的利用声悬浮液滴测量液体中声压振幅的方法，其中上述数据化液滴在该电功率下悬浮位置的方法包括如下操作：

(1)首先将高速摄像仪拍摄得到的微小液滴图片1和矩形槽体前面板图片2利用计算机图像处理软件叠加在一起，合成图片3；

(2)然后，利用计算机处理图片3，获得液滴在图像中的竖直位置，如上述所述附图3中图片3内黑色粗实线L’所示；

(3)最后，以矩形槽体前面板上的刻度线为参考，将液滴在图像中的竖直位置换算成液滴在矩形槽体前面板刻度中的位置坐标，该位置水平线即为液滴悬浮的最低位置(理论上距离声压波节λ/8处附近)，将水滴悬浮的最低位置L’设置为竖直方向的零基准线。

进一步，如上述所述的利用声悬浮液滴测量液体中声压振幅的方法，其中，上述通过液滴的悬浮位置来测量连续相中不同超声电功率下声压振幅的大小步骤中，

首先将不同电功率下的液滴位置坐标转换成基准线L’下的相对坐标，再将液滴的相对位置坐标无量纲化，即所有坐标均除以λ/8，将无量纲化的坐标代入声压的反算公式(1)中的z′，将连续相液体与液滴的物性数据代入公式(1)中相应的参数，计算得到连续相中的声压振幅的大小P_a，

所述声压振幅的反算公式如下：

其中ρ_w为液滴的密度，ρ_o为连续相的密度，g为重力加速度，P_a为连续相中的声压振幅，λ为连续相中的声波波长，c_o为连续相中的声速，为液滴的密度与连续相的密度的比值，σ为液滴中的声速与连续相中的声速的比值。

本发明的利用声悬浮液滴测量液体中声压振幅具有许多优势，且该方法特别适用于实验研究中在较小体积范围内实现声压振幅的准确测量。本发明的声悬浮液滴法测量声压振幅因充分利用了以下规律而具有很高的可靠性：

声悬浮液滴可被视为是高声强条件下的一种非线性效应，利用声驻波与液滴的相互作用产生声场力以克服液滴的净重力(重力和浮力的合力)。根据液滴在连续相液体中受力分析可知，液滴受到重力、浮力和声场力的作用，这里将重力和浮力合成一个力，即净重力，根据液滴受力平衡有：

F_g-F_ac＝0 (2)

净重力为：

其中a为液滴的半径，ρ_w为液滴的密度，ρ_o为连续相的密度，g为重力加速度。

声场力为：

其中P_a为连续相中的声压振幅，λ为连续相中的声波波长，co为连续相中的声速，为液滴的密度与连续相的密度的比值，σ为液滴中的声速与连续相中的声速的比值。

声悬浮液滴如附图1所示，所述附图1中的底面为声波辐射面，顶面为声波反射面，辐射面与反射面之间为连续相液体，声波由辐射面辐射进入连续相液体中，遇到声波反射面后发生反射，当辐射面与反射面之间的距离为声波半波长的整数倍时，辐射波与反射波在连续相液体中发生干涉产生驻波。所述附图1中左侧曲线为声压P_(z)的分布曲线，所述附图1中右侧曲线为声场力F_ac的分布曲线，声场力分布曲线两侧的黑色虚线箭头方向代表液滴在声场中所受声场力的方向，所述附图1中圆球①和②代表液滴，F_ac代表液滴受到的声场力，F_g代表液滴受到的净重力，即液滴受到的重力与浮力的合力。

然而，利用悬浮液滴测量声压振幅时如果将上述公式(4)中的sin(4πz/λ)简化为1，虽然在测量时只需获得液滴密度、液滴中声速、连续相密度、连续相中声速和波长即可算得声压振幅的大小，但是由于一般液滴密度与连续相液体密度不相等，液滴悬浮位置将位于压力波节下方，即所述附图1中斜线填充区域部分，这种简化的操作势必只能测得一个点值，导致声压振幅测量不全面也不能满足实际测量需求。本发明中，液滴1所在位置距离压力波节λ/8，即所述附图1中黑色虚线L表示，为最低悬浮位置，对应的电功率为最小悬浮电功率；根据公式(4)可知，液滴的悬浮位置距离压力波节越近，悬浮所需的声压振幅就越大，因此，液滴2悬浮位置处所需的声压振幅要大于液滴1悬浮位置处所需声压振幅，对应的电功率也大于最小悬浮电功率。若将公式(4)中的sin(4πz/λ)简化为1，相当于将所述附图1斜线填充区域部分简化为一条直线，因此无法准确测得高于最小悬浮电功率时连续相液体中的声压振幅。

本发明有益效果如下：本发明提出的利用声悬浮液滴测量液体中声压振幅的方法。测量过程中由于微小液滴粒径远小于连续相液体中的波长，因此微小液滴对连续相液体中原有声场分布的干扰可以忽略不计，使得测量结果更加准确；该方法综合考虑了液滴的悬浮位置与声压振幅的关系，使得测得的声压振幅更准确；该方法可以测量腐蚀性连续相液体中的声压振幅，使得测量的适用性更强。本发明可以测得不同超声电功率条件下连续相液体中声压振幅的大小，为连续相液体中声压振幅测量提供准确性更好适用性更强的测量方法。

附图说明

图1为声悬浮液滴测量液体中声压振幅的原理图；

图2为声压振幅测量系统结构图(为了示意起见，将刻度绘于正前方，实际中刻度应朝向镜头)；

其中1—高速摄像仪 2—升降台 3—图像采集计算机 4—高频功率计 5—矩形槽体 6—超声波换能器 7—光源 8—高频功率放大器 9—信号发生器。

图3为数据化液滴悬浮位置的示意图；

图4为不同超声电功率下声压振幅反算值与测量值的对比图。

具体实施方式

参见附图2，一种利用声悬浮液滴测量液体中声压振幅的方法所用到的设备，其特征在于包括由信号发生器9和高频功率放大器8组成的超声波发生部；由高频功率计4和图像采集计算机3组成的数据采集部；由高速摄像仪1、升降台2、超声波换能器6、矩形槽体5和光源7组成的测量部。

所述信号发生器9的输出端连接于所述高频功率放大器8的输入端，通过设置信号发生器9中正弦信号的频率来确定超声波的频率；所述高频功率放大器8的输出端正负极与所述超声波换能器6的正负极相连，所述超声波换能器6在所述高频功率放大器8的激励电压下产生超声波；所述超声波换能器6与所述矩形槽体5之间通过粘结剂粘结在一起，所述超声波换能器6产生的超声波在所述矩形槽体5内连续相液体中传播，超声波在传播过程中遇到连续相液体与空气的反射面后反射，辐射波与反射波在液体中发生干涉，产生超声驻波场。

所述高频功率计4用于测量和记录所述高频功率放大器8施加到所述超声波换能器6上的超声电功率；

所述高速摄像仪1安装在所述升降台2上，所述高速摄像仪1用于拍摄所述矩形槽体5中微小水滴的图片，升降台2用于调整高速摄像仪1与微小水滴的位置关系；所述光源7用于提供高速摄像仪1拍摄图片所需的光强；所述矩形槽体5的前面板上标有刻度线；测量前调整高速摄像仪1、矩形槽体5和光源7的中心线在同一条直线上。

所述图像采集计算机3与高速摄像仪1连接，图像采集计算机3用于记录并存储高速摄像仪1拍摄得到的图片。

实施例

以二甲基硅油为连续液相，以水滴为微小的悬浮液滴，本发明声压振幅测量方法采用以下测量步骤：

步骤1，将二甲基硅油加入附图2所述的透明矩形槽体5中，硅油液面距离声辐射面的高度为一个波长λ(这里以20kHz超声波在二甲基硅油中的波长λ为例)，静置10分钟使硅油中的气泡释放出来以免影响实验结果；

步骤2，使用量程为0.1μL-1μL的微量移液器向所述矩形槽体5中的硅油内滴加微小水滴；

步骤3，设置所述信号发生器9的超声波信号为20kHz的正弦信号，所述高频功率放大器8将所述信号发生器9产生的正弦小信号无失真的放大，经所述高频功率放大器8放大的信号施加在所述超声波换能器6上，所述超声波换能器6在正弦信号的激励下将电信号转换成超声波辐射出去，由于连续相液面高度设置为一个波长λ，所述超声波换能器6辐射出的超声波在硅油与空气的接触面处发生反射，辐射波与反射波叠加形成驻波。所述加入连续相中的微小水滴将悬浮在驻波的压力波节附近，通过调节高频功率放大器8，改变施加在超声波换能器6上的超声电功率，使微小水滴恰好悬浮在硅油中，此时水滴受到的重力、浮力、声场力恰好平衡。所述高频功率计4实时显示超声电功率的大小，记录高频功率计4显示的超声电功率，记为最小悬浮电功率。

步骤4，打开所述光源7，调节升降台2，使高速摄像仪1可以清晰拍摄到水滴的图像，将拍摄到的水滴图片记录并存储在所述图像采集计算机3上，记为图片1；保持所述升降台2的高度不变，改变所述高速摄像仪1与所述矩形槽体5的相对位置，使所述矩形槽体5的前面板清晰的成像于图像采集计算机3上，将拍摄到的图片记录并存储在所述图像采集计算机3上，记为图片2。

步骤5，对所述图像采集计算机3采集到的图片1和2利用计算机图像处理软件Image Pro Plus量化、计算，主要可以得出水滴在样槽中的位置坐标，具体操作方法如下。

如上述所述图3所示，数据化水滴在样槽中位置坐标的方法包括如下操作：

(1)首先将水滴的图片1和矩形槽体前面板图片2利用计算机图像处理软件重叠在一起，合成图片3；

(2)然后，利用计算机图像处理软件处理图片3获得水滴在图像中的竖直位置，如上述所述附图3中图片3内的黑色粗实线所示；

(3)最后，以矩形槽体前面板上的刻度线为参考，将水滴在图像中的竖直位置换算成水滴在矩形槽体前面板上的投影位置坐标，该位置水平线即为水滴悬浮的最低位置(理论上距离声压波节λ/8处)，将水滴悬浮的最低位置L’设置为竖直方向的零基准线。

步骤6，增加所述高频功率放大器8施加在超声波换能器6上的超声电功率，重复所述第四步和第五步中(1)、(2)的操作，得到水滴在图像中的竖直位置后(如上述所述附图3中图片3内的黑色粗虚线所示)，将液滴的位置坐标转换成基准线L’下的相对坐标，得到施加不同超声电功率条件下的水滴悬浮位置相对坐标。

步骤7，将第六步中得到的其他超声电功率下水滴的相对位置坐标无量纲化，即所有坐标均除以λ/8，将无量纲化的坐标代入上述所述公式(1)中的z′，将表1中的连续相和液滴的物性数据代入上述所述公式(1)中相应的参数，计算得到连续相中的声压振幅的大小。

表1为二甲基硅油与蒸馏水的物性数据表。

表1二甲基硅油与蒸馏水的物性数据表(20℃)

上述所述附图4为相同悬浮位置处声压振幅的反算值与水听器测量值的对比结果，从附图中可以看出，理论公式反算得到的声压振幅大小与测量得到的声压振幅大小基本吻合，由此说明该测量方法可以较为准确的测得不同超声电功率下连续相液体中声压振幅的大小。

本发明提出一种利用声悬浮液滴测量液体中声压振幅的测量方法，以液滴在连续相液体(如硅油中)的悬浮位置来测量施加不同超声电功率时连续相液体中声压振幅的大小。测量过程中由于微小液滴粒径远小于连续相液体中的波长，因此微小液滴对连续相液体中原有声场分布的干扰可以忽略不计，使得测量结果更加准确；该方法综合考虑了液滴的悬浮位置与声压振幅的关系，使得测得的声压振幅更准确；该方法可以测量腐蚀性连续相液体中的声压振幅，使得测量的适用性更强。本发明为连续相液体中声压振幅测量提供了准确性更好适用性更强的测量方法。

Claims (6)

1.一种利用声悬浮液滴测量液体中声压振幅的方法，其特征在于包括以下步骤：该方法首先将连续相液体加入前面板设有刻度的透明矩形槽体，使用微量移液器向连续相液体中滴加微小的与连续相液体不互溶的液滴，开启位于矩形槽体底部的超声波换能器，并通过功率放大器调节超声波换能器的输出功率，使得液滴在连续相液体中恰好悬浮；通过设置在矩形槽侧方位的高速摄像仪拍摄微小液滴的图片1，此时小液滴位于高速摄像仪的焦距处；随后使高速摄像仪沿其焦距方向水平移动，使矩形槽体的刻度位于高速摄像仪的焦距处，拍摄矩形槽体前面板的图片2，对图片1和图片2进行图像处理分析，数据化液滴在该电功率下的悬浮位置；逐渐增大功率放大器输出功率，依次得到微小液滴在不同电功率下的悬浮位置，高速摄像仪重复拍摄微小液滴与前面板的图片，进行图像处理，数据化液滴在不同电功率下的悬浮位置；最后通过液滴的悬浮位置来反算连续相中不同超声电功率下声压振幅的大小，位置越接近压力波节，连续相中的声压振幅越大。

2.根据权利要求1所述的一种利用声悬浮液滴测量液体中声压振幅的方法，其特征在于：所述加入矩形槽体中的连续相液体高度为连续相液体中半波长的整数倍，以此在连续相液体中建立驻波场。

3.根据权利要求1所述的一种利用声悬浮液滴测量液体中声压振幅的方法，其特征在于：所述使用微量移液器向连续相液体中滴加微小液滴中，通过实验研究发现，液滴粒径的大小对悬浮位置没有影响，本发明推荐施加的液滴直径大小在700μm到2400μm之间。

4.根据权利要求1所述的一种利用声悬浮液滴测量液体中声压振幅的方法，其特征在于：所述调节功率放大器输出功率，使得液滴在介质中恰好悬浮中，此处液滴恰好悬浮的超声电功率为悬浮液滴需要的最小功率，对应液滴的悬浮位置为压力波节下方λ/8处，λ为连续相中的声波波长。

5.根据权利要求1所述的一种利用声悬浮液滴测量液体中声压振幅的方法，其特征在于上述数据化液滴在该电功率下悬浮位置的方法包括如下操作：

(1)首先将高速摄像仪拍摄得到的微小液滴图片1和矩形槽体前面板图片2利用计算机图像处理软件叠加在一起，合成图片3；

(2)然后，利用计算机处理图片3，获得液滴在图像中竖直位置，如上述所述附图3中图片3内黑色粗实线L’所示；

(3)最后，以矩形槽体前面板上的刻度线为参考，将液滴在图像中的竖直位置换算成液滴在矩形槽体前面板刻度中的位置坐标，该位置水平线即为液滴悬浮的最低位置(理论上距离声压波节λ/8处附近)，将水滴悬浮的最低位置L’设置为竖直方向的零基准线。

6.根据权利要求1所述的一种利用声悬浮液滴测量液体中声压振幅的方法，其特征在于上述通过液滴的悬浮位置来测量连续相中不同超声电功率下声压振幅的大小步骤中，

首先将不同电功率下的液滴位置坐标转换成基准线L’下的相对坐标，再将液滴的相对位置坐标无量纲化，即所有坐标均除以λ/8，将无量纲化的坐标代入声压的反算公式(1)中的z′，将连续相液体与液滴的物性数据代入公式(1)中相应的参数，计算得到连续相中的声压振幅的大小P_a，

所述声压的反算公式如下：

其中ρ_w为液滴的密度，ρ_o为连续相的密度，g为重力加速度，P_a为连续相中的声压振幅，λ为连续相中的声波波长，c_o为连续相中的声速，为液滴的密度与连续相的密度的比值，σ为液滴中的声速与连续相中的声速的比值。