CN109030048B - 一种变幅杆式声化学系统辐射声场评价方法 - Google Patents

一种变幅杆式声化学系统辐射声场评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种变幅杆式声化学系统辐射声场评价方法，本发明有效解决了现有方法在多指标体系下无法统一评价声化学设备的问题，利用声化学设备与菱形工具头、九节鞭工具头和哑铃形工具头的结合，通过超声性能试验，测量在设定超声功率下的声强值。通过水听器得到的各组数据，根据本发明给定的评价指标公式得到J，从而实现对声化学设备的性能评价。本发明提供的评价分析方法可以准确、直观地评价分析声化学设备的性能，解决了目前在多指标体系下无法评价声化学设备的问题。

Description

一种变幅杆式声化学系统辐射声场评价方法
技术领域
本发明涉及一种变幅杆式声化学系统辐射声场评价方法，用于基于空化效应的变幅杆式声化学设备的性能分析评价方法。
背景技术
声化学是近年来逐渐兴起的一门学科，主要是指利用超声来加速化学反应或触发新的反应通道，以提高化学反应产率或获取新的化学反应物。相关研究表明，声化学应用的主动力是超声空化现象，此过程中产生的微小局部瞬时高温高压、自由基、冲击波、微射流等空化效应，为化学反应提供了极端条件。
空化是液体内局部压力降低时，液体内部或液固交界面上蒸气或气体的空穴(空泡)的形成、发展和溃灭的过程。在频率和压强一定的情况下，由于声波负压相的作用，液体中产生大量的气泡，称为“声空化泡”，并在随后的声波正压相下空化泡开始收缩，气泡经多次周期性振荡，最终气泡以高速度崩溃，整个过程发生在ns-μs的时间内。随着气泡快速崩溃伴,气泡内蒸汽相绝对加热，产生瞬时的高温高压。反应体系的环境条件会极大的影响空化的强度，而空化强度则直接影响到反应的速率和产率，这些环境条件包括反应温度、超声辐照频率、声功率和超声强度等等。
超声波工具头是超声设备的重要组成部分，其主要作用是将扩大振幅后的超声波能量输出，并在超声反应釜中将机械振动能量作用于传播介质，对超声波工具头研究主要集中于提高超声振动系统的纵向位移振幅，改善纵向位移振幅均匀性等方面。在具体形状的工具头设计方面，目前只有针对哑铃形工具头有过相关研究，对于九节鞭和菱形工具头的研究较少，尤其是针对各种工具头应用于声化学设备的性能评价方法，无法为工具头的设计提供理论依据。
目前对于空化状态的识别方法常见的有声学法、热探针方法、薄膜腐蚀法、染色体法等等。有学者引入标准差评价空化场的均匀程度，从而分析该声化学设备的性能；还有学者根据谐波和分谐波对应稳态空化及非线性效应的能量，利用中值滤波法对连续波进行拟合，通过积分后得到分离后的各部分能量值，将分离结果进行插值化处理得到的重构的三维声场，并且用非线性能量来表征空化强度。现有的评价方法大多都是基于单一性能指标(以超声空化场强度和声场均匀度为主)或者是将各种性能指标分开讨论，缺乏系统性地分析超声设备的研究，导致出现在多指标体系下无法综合地评价声化学设备的性能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有评价方法中存在的上述不足，提供一种设计合理的变幅式声化学系统辐射声场评价方法，通过空化性能试验，分别测量试验设备在不同超声功率下的性能参数，并且进行计算修正，得到各个声化学设备的性能指标，从而评价不同功率负载下声化学设备的性能效果。
本发明解决上述问题所采用的技术方法是：一种变幅杆式声化学系统辐射声场评价方法，具体步骤如下：
第一步，在变幅杆式的声化学设备中选择若干个声强测量点位置，确保测量点位置在釜体平行空间和垂直空间分布均匀；
第二步，打开开关阀和进料阀，启动物料泵和冷却水进出口，当釜体内加工材料装满时，关闭进料阀和物料泵；
第三步，设定超声功率，依次将工具头放入釜体中利用水听器测量第一步选择的测量点的声强，记录测量点的个数为N，每个点的声强值为pi；
第四步，根据计算公式
Figure GDA0002283674630000021
计算该声化学设备在釜体内的平均声强；
第五步，确定一个阈值系数ε，0＜ε＜1；根据公式
Figure GDA0002283674630000022
计算该声化学设备的声强值在上述范围内的测量点个数M；其中M的计算方法参考如下：就是i从1取到N，其中满足公式
Figure GDA0002283674630000023
的个数即M的个数；
第六步，定义评价指标
Figure GDA0002283674630000024
作为判断声化学设备的性能指标；其中Pi表示各个测量点的声强值，
Figure GDA0002283674630000025
本发明专利与现有方法相比，具有以下优点和效果：本发明有效解决了现有方法在多指标体系下无法统一评价声化学设备的问题，利用声化学设备与菱形工具头、九节鞭工具头和哑铃形工具头的结合，通过超声性能试验，分别测试设备在不同超声功率下的声场均匀度和平均声强强度。通过水听器得到的各组数据，利用上述的计算公式得到J，从而评价该超声振动设备空化效果，方便客户进行设备选型。本发明提供的评价分析方法可以准确、直观地评价分析声化学设备的性能，解决了目前在多指标体系下无法评价声化学设备的问题。
附图说明
图1是本发明实施例的声化学装置示意图；
图2是本发明实施例的测量点横平面分布图；
图3是本发明实施例的测量点竖平面分布图。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限与以下实施例
本实施例中的声化学设备性能效果的分析评价方法的步骤如下：
如图1所示，第一步，在设备的釜体内布置若干个声强测量点，单一平面测量点呈现发散状发布，每条直线上均匀地分布4个测量点，总共有12条曲线，曲线角度为30°，整个釜体设置8个平面，各平面的距离为10cm，供选取384个测量点，具体参考图2，图3；
第二步，打开声化学设备的开关阀和进料阀，开启冷却水的循环冷却功能，并且启动物料阀，当处理材料满足本实验时，关闭进料阀和泵。
第三步，超声功率设为800W，1100W，1400W，超声频率为20Khz，分别测量三种工具头(菱形工具头，九节鞭工具头，哑铃形工具头)的声强值，测量位置以第一步设定为准。
第四步，根据第三步测量得到数据代入平均声强计算公式
Figure GDA0002283674630000031
(Pi表示各个测量点的声强值，n表示测量点的个数)，可以得到三种工具头在釜体内的平均声强值，同时利用得到的平均声强值和公式
Figure GDA0002283674630000032
(ε为设定的参数)，ε分别选取3％，6％，9％，分别计算在ε为3％，6％，9％下声强值在平均声强值一定范围的个数，将得到平均声强
Figure GDA0002283674630000033
和η代入公式
Figure GDA0002283674630000034
计算出各个工具头和最后根据评估标准J来判断声化学设备的性能指标。
表1中列出三种工具头在不同功率下三种工具头的试验结果
Figure GDA0002283674630000041
通过对800W，1100W和1400W超声功率下三种工具头的实验，我们得到了上述列表结果，根据声强平均值、声强标准差和评估值J三个值，可以得到菱形工具头的声场均匀度和声强平均值效果表现要明显优于哑铃形工具头和九节鞭工具头。其中，由平均声强值与釜体深度得出的关系曲线，该关系曲线可以直观地表明本发明提供的评价分析方法可以准确、直观地评价分析声化学设备的性能，解决了目前在多指标体系下无法评价声化学设备的问题。
表2本实例实验设备参数
振动频率/Khz 最大功率/W 承受重量/kg 反应釜(底*高)(cm*cm) 工具头长度/cm 工具头种类
20±1 3000 10 50*80 60 菱形、哑铃形，九节鞭

Claims (2)

1.一种变幅杆式声化学系统辐射声场评价方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
第一步，在变幅杆式的声化学设备中选择若干个声强测量点位置，确保测量点位置在釜体平行空间和垂直空间分布均匀；
第二步，打开开关阀和进料阀，启动物料泵和冷却水进出口，当釜体内加工材料装满时，关闭进料阀和物料泵；
第三步，设定超声功率，依次将工具头放入釜体中利用水听器测量第一步选择的测量点的声强，记录测量点的个数为N，每个点的声强值为pi；
第四步，根据计算公式
Figure FDA0002283674620000011
计算该声化学设备在釜体内的平均声强；
第五步，确定一个阈值系数ε，0＜ε＜1；根据公式
Figure FDA0002283674620000012
计算该声化学设备的声强值在上述范围内的测量点个数M；其中M的计算方法参考如下：就是i从1取到N，其中满足公式
Figure FDA0002283674620000013
的个数即M的个数；
第六步，定义评价指标
Figure FDA0002283674620000014
作为判断声化学设备的性能指标；
Figure FDA0002283674620000015
2.根据权利要去1所述的一种变幅杆式声化学系统辐射声场评价方法，其特征在于：所述的工具头为变幅杆式振动设备，包括但不仅限于菱形工具头、九节鞭工具头和哑铃形工具头。
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