CN113312797A - 一种熔体超声空化强度计算方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种熔体超声空化强度计算方法及系统。该方法包括：对空化噪声做傅里叶变换，得到频谱图；所述空化噪声为功率超声施加于金属熔体时产生的声信号；所述空化噪声包括驱动噪声、稳态空化噪声和瞬态空化噪声；基于所述频谱图确定所述驱动噪声以及稳态空化噪声在频域上的中心频率；基于傅里叶变换后的空化噪声总能量、驱动噪声中心频率以及稳态空化噪声中心频率分别计算驱动噪声频域能量、稳态空化噪声频域能量以及瞬态空化噪声频域能量；基于傅里叶变换后的空化噪声总能量、所述驱动噪声频域能量、所述稳态空化噪声频域能量以及所述瞬态空化噪声频域能量，计算用于表征空化强度的能量比值。本发明普适性强、可准确描述超声空化强度的表征。
Description
技术领域
本发明涉先进材料制备及加工技术领域，特别是涉及一种熔体超声空化强度计算方法及系统。
背景技术
在金属及合金凝固、化学反应、表面清洁过程中施加振动是改善其组织结构、调控化学反应过程、增强清洗效果最有效的方法之一。常规机械振动因存在振动频率低、能量密度受限、振动过程不易控制等问题，而逐渐被功率超声所取代。功率超声是物体超高机械振动能量的传播形式，具有频率高、功率密度大、束射性和方向性良好等显著物理特性，与液体、金属或合金熔体相互作用时存在压力场、热效应、声空化和声流等一系列非线性超声效应，显著影响晶体的形核和长大、晶粒的细化和粗化、溶质的扩散、固相粒子的弥散、熔体的流动、空化泡的运动等，表现出晶粒细化、组织均匀化与净化等宏观效果，可大大提高金属凝固、化学反应与表面清洁的性能与效果。
在上述过程中，超声空化强度直接决定了功率超声施加所获得的性能提升程度，是描述超声空化场的关键参数，也是开展金属凝固、化学反应调控、表面清洁中功率超声作用机理这一基础科学问题的重要参数。因此，建立描述超声空化场强弱的方法，即超声空化强度表征，对于超声空化场作用机理研究工作的开展至关重要。
相应的，目前超声空化强度表征常用形式及其局限性为：(1)以超声导入装置消耗的所消耗的电功率为表征方法，该方式与超声导入装置的具体结构、具体电路、超声换能器、变幅杆、施加方式等密切相关，即便是同一批装置，也会由于电子元器件、换能器之间的差异导致测量结果大相径庭，普适性差；(2)以空蚀法、化学反应法、声致发光法为代表的间接测量法，这类方法一般对被测环境要求比较严格，如化学反应法、空蚀法均要求被测环境为常温状态，声致发光法要求被测环境为透明状态等；(3)以水听器测量得到的超声空噪声信号的时域总能量为表征方法，该方式普适性较好，但空化场辐射声信号的时域总能量中同时包含了换能器噪声、稳态空化噪声、瞬态空化噪声三部分噪声的分能量。其中，换能器噪声与超声换能器状态、溶液声阻抗、电声转换效率有关，与空化效应无关，不应计入超声空化场强度，同时，稳态空化和瞬态空化所造成的物理效应完全不同，将二者相加无法准确表征空化强度；(3)以超声空化噪声信号中的某些分量的频域能量为表征方法，该方法通过测量空化噪声中基频、基频谐波与超谐波等线状谱分量的能量来实现空化强度的表征，但空化泡振动与溃灭时除了产生超谐波信号之外，通常还伴有强烈的宽带噪声，在频域上表现为可达MHz级的宽带连续谱信号，该方法忽略了这一分量的能量，其表征方法并不完善。
鉴于现有超声空化强度表征方法存在普适性差、无法准确反应空化场大小的现状，研发普适性强、可准确描述超声空化强度的表征方法成为当务之急。
发明内容
基于此，本发明的目的是提供一种熔体超声空化强度计算方法及系统。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种熔体超声空化强度计算方法，包括：
对空化噪声做傅里叶变换，得到频谱图；所述空化噪声为功率超声施加于金属熔体时产生的声信号；所述空化噪声包括驱动噪声、稳态空化噪声和瞬态空化噪声；
基于所述频谱图确定所述驱动噪声以及稳态空化噪声在频域上的中心频率；
基于傅里叶变换后的空化噪声总能量、驱动噪声中心频率以及稳态空化噪声中心频率分别计算驱动噪声频域能量、稳态空化噪声频域能量以及瞬态空化噪声频域能量；
基于傅里叶变换后的空化噪声总能量、所述驱动噪声频域能量、所述稳态空化噪声频域能量以及所述瞬态空化噪声频域能量，计算用于表征空化强度的能量比值。
进一步地，基于傅里叶变换后的空化噪声总能量、驱动噪声中心频率以及稳态空化噪声中心频率分别计算驱动噪声频域能量、稳态空化噪声频域能量以及瞬态空化噪声频域能量，具体包括：
确定所述驱动噪声中心频率的邻域内的最高能量值，为第一最高能量值；
基于所述第一最高能量值计算驱动噪声频域能量；
确定所述稳态空化噪声中心频率的邻域内的最高能量值，为第二最高能量值；
基于所述第二最高能量值计算稳态空化噪声频域能量；
基于所述傅里叶变换后的空化噪声总能量、所述驱动噪声频域能量以及所述稳态空化噪声频域能量，计算瞬态空化噪声频域能量。
本发明还提供了一种熔体超声空化强度计算系统，包括：
频谱图确定模块，用于对空化噪声做傅里叶变换，得到频谱图；所述空化噪声为功率超声施加于金属熔体时产生的声信号；所述空化噪声包括驱动噪声、稳态空化噪声和瞬态空化噪声；
中心频率确定模块，用于基于所述频谱图确定所述驱动噪声以及稳态空化噪声在频域上的中心频率；
频域能量计算模块，用于基于傅里叶变换后的空化噪声总能量、驱动噪声中心频率以及稳态空化噪声中心频率分别计算驱动噪声频域能量、稳态空化噪声频域能量以及瞬态空化噪声频域能量；
能量比值计算模块，用于基于傅里叶变换后的空化噪声总能量、所述驱动噪声频域能量、所述稳态空化噪声频域能量以及所述瞬态空化噪声频域能量，计算用于表征空化强度的能量比值。
一种熔体超声空化强度计算方法，包括：
对空化噪声做傅里叶变换，得到频谱图；所述空化噪声为功率超声施加于金属熔体时产生的声信号；所述空化噪声包括驱动噪声、稳态空化噪声和瞬态空化噪声；
基于所述频谱图确定所述驱动噪声以及稳态空化噪声在频域上的中心频率；
基于傅里叶变换后的空化噪声总能量、驱动噪声中心频率以及稳态空化噪声中心频率分别计算驱动噪声声压级、稳态空化噪声声压级以及瞬态空化噪声声压级；
基于总声压级、所述驱动噪声声压级、所述稳态空化噪声声压级以及所述瞬态空化噪声声压级，计算用于表征空化强度的声压级差值。
进一步地，基于傅里叶变换后的空化噪声总能量、驱动噪声中心频率以及稳态空化噪声中心频率分别计算驱动噪声声压级、稳态空化噪声声压级以及瞬态空化噪声声压级，具体包括：
确定所述驱动噪声中心频率的邻域内的最高能量值，为第一最高能量值；
基于所述第一最高能量值计算驱动噪声声压级；
确定所述稳态空化噪声中心频率的邻域内的最高能量值，为第二最高能量值；
基于所述第二最高能量值计算稳态空化噪声声压级；
基于所述傅里叶变换后的空化噪声总能量、所述驱动噪声声压级以及所述稳态空化噪声声压级，计算瞬态空化噪声声压级。
本发明还提供了一种熔体超声空化强度计算系统，包括：
频谱图确定模块，用于对空化噪声做傅里叶变换，得到频谱图；所述空化噪声为功率超声施加于金属熔体时产生的声信号；所述空化噪声包括驱动噪声、稳态空化噪声和瞬态空化噪声；
中心频率确定模块，用于基于所述频谱图确定所述驱动噪声以及稳态空化噪声在频域上的中心频率；
声压级计算模块，用于基于傅里叶变换后的空化噪声总能量、驱动噪声中心频率以及稳态空化噪声中心频率分别计算驱动噪声声压级、稳态空化噪声声压级以及瞬态空化噪声声压级；
声压级差值计算模块，用于基于总声压级、所述驱动噪声声压级、所述稳态空化噪声声压级以及所述瞬态空化噪声声压级，计算用于表征空化强度的声压级差值。
一种熔体超声空化强度计算方法，包括：
对空化噪声做傅里叶变换，得到频谱图；所述空化噪声为功率超声施加于金属熔体时产生的声信号；所述空化噪声包括驱动噪声、稳态空化噪声和瞬态空化噪声；
基于所述频谱图确定所述驱动噪声以及稳态空化噪声在频域上的中心频率；
基于傅里叶变换后的空化噪声总能量、驱动噪声中心频率以及稳态空化噪声中心频率分别计算驱动噪声声压级、稳态空化噪声声压级以及瞬态空化噪声声压级；
基于参考声压、所述驱动噪声声压级、所述稳态空化噪声声压级以及所述瞬态空化噪声声压级分别计算驱动噪声声强、稳态空化噪声声强以及瞬态空化噪声声强；
基于总声强、所述驱动噪声声强、所述稳态空化噪声声强以及所述瞬态空化噪声声强，计算用于表征空化强度的声强比值。
进一步地，基于参考声压、所述驱动噪声声压级、所述稳态空化噪声声压级以及所述瞬态空化噪声声压级分别计算驱动噪声声强、稳态空化噪声声强以及瞬态空化噪声声强，具体包括：
确定所述驱动噪声中心频率的邻域内的最高能量值，为第一最高能量值；
基于所述第一最高能量值计算驱动噪声声压级；
基于所述驱动噪声声压级以及参考声压计算驱动噪声声强；
确定所述稳态空化噪声中心频率的邻域内的最高能量值，为第二最高能量值；
基于所述第二最高能量值计算稳态空化噪声声压级；
基于所述稳态空化噪声声压级以及参考声压计算稳态空化噪声声强；
基于所述傅里叶变换后的空化噪声总能量、所述驱动噪声声压级以及所述稳态空化噪声声压级，计算瞬态空化噪声声压级；
基于所述瞬态空化噪声声压级以及参考声压计算瞬态空化噪声声强。
本发明还提供了一种熔体超声空化强度计算系统，包括：
频谱图确定模块，用于对空化噪声做傅里叶变换，得到频谱图；所述空化噪声为功率超声施加于金属熔体时产生的声信号；所述空化噪声包括驱动噪声、稳态空化噪声和瞬态空化噪声；
中心频率确定模块，用于基于所述频谱图确定所述驱动噪声以及稳态空化噪声在频域上的中心频率；
声压级计算模块，用于基于傅里叶变换后的空化噪声总能量、驱动噪声中心频率以及稳态空化噪声中心频率分别计算驱动噪声声压级、稳态空化噪声声压级以及瞬态空化噪声声压级；
声强计算模块，用于基于参考声压、所述驱动噪声声压级、所述稳态空化噪声声压级以及所述瞬态空化噪声声压级分别计算驱动噪声声强、稳态空化噪声声强以及瞬态空化噪声声强；
声强比值计算模块，用于基于总声强、所述驱动噪声声强、所述稳态空化噪声声强以及所述瞬态空化噪声声强，计算用于表征空化强度的声强比值。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明将超声空化场噪声按照空化泡行为分为驱动噪声、稳态空化噪声、瞬态空化噪声三部分，对应不同的空化效应作用机制，具有明确的物理意义。超声空化强度表征以能量占比这一相对物理量作为表征参数，其比值与超声导入装置之间的差异无关，表征方法具有普适性。
超声空化强度表征以声强占比作为表征参数，其比值为一相对量，与传感器灵敏度无关，表征方法不仅具有普适性，而且无需校准传感器。
超声空化强度表征以声压级之差作为表征参数，其差值消除了超声导入装置环境噪声影响，且使用了标准物理量表示空化强度，超声导入装置之间的差异转换为可量化的物理量，其表征方法同样具有普适性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一熔体超声空化强度计算方法的流程图；
图2为本发明实施例二熔体超声空化强度计算方法的流程图；
图3为本发明实施例三熔体超声空化强度计算方法的流程图；
图4为典型空化噪声频谱图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一：
如图1所示，一种熔体超声空化强度计算方法包括以下步骤：
步骤101：对空化噪声做傅里叶变换，得到频谱图；所述空化噪声为功率超声施加于金属熔体时产生的声信号；所述空化噪声包括驱动噪声、稳态空化噪声和瞬态空化噪声。
步骤102：基于所述频谱图确定所述驱动噪声以及稳态空化噪声在频域上的中心频率。
步骤103：基于傅里叶变换后的空化噪声总能量、驱动噪声中心频率以及稳态空化噪声中心频率分别计算驱动噪声频域能量、稳态空化噪声频域能量以及瞬态空化噪声频域能量。具体的：
步骤1031：确定所述驱动噪声中心频率的邻域内的最高能量值，为第一最高能量值；
步骤1032：基于所述第一最高能量值计算驱动噪声频域能量；
步骤1033：确定所述稳态空化噪声中心频率的邻域内的最高能量值，为第二最高能量值；
步骤1034：基于所述第二最高能量值计算稳态空化噪声频域能量；
步骤1035：基于所述傅里叶变换后的空化噪声总能量、所述驱动噪声频域能量以及所述稳态空化噪声频域能量，计算瞬态空化噪声频域能量。
步骤104：基于傅里叶变换后的空化噪声总能量、所述驱动噪声频域能量、所述稳态空化噪声频域能量以及所述瞬态空化噪声频域能量，计算用于表征空化强度的能量比值。
详细过程如下：
功率超声施加于金属熔体时所产生的声信号称之为空化噪声，本发明将按照熔体内空化泡行为将空化噪声分为三类：驱动噪声、稳态空化噪声、瞬态空化噪声。经模数转换之后，对空化噪声做傅里叶变换，得到典型频谱图(即空化噪声的频域表现形式)，如图4所示，f0为功率超声的主频率。其中，驱动噪声与稳态空化噪声在频域上分别表现为中心频率为nf0和(n+0.5)f0的线谱(n为整数，其取值从1到15)，瞬态空化噪声在频域上表现为除前述线谱之外的宽带连续谱。
驱动噪声频域能量ED、稳态空化噪声频域能量ES、瞬态空化噪声频域能量ET的计算方法为：
式中S(f)表示空化噪声s(t)的离散傅里叶变换的模值，即空化噪声的总能量；，f0表示施加于金属熔体中的功率超声主频率，是与超声换能器和功率放大器(二者功率超声施加装置)有关的已知固定值；nf0表示f0的整数倍，即f0的谐波成分，二者来自于驱动噪声，与空化场无关，其频谱形状呈线状，称为线谱；(n+0.5)f0为稳态空化噪声对应的频率，来自于空化场中空化泡参数振动与非线性脉动，与稳态空化有关；S(f)的剩余部分则来自于空化泡的混沌运动与溃灭，与瞬态空化有关。
在金属凝固过程中施加功率超声可显著提升金属性能，其原因在于空化场中大量空化泡的混沌运动和溃灭可分别产生除气与枝晶断裂的作用，其作用效果与空化泡的瞬态空化行为有关。针对上述特点，本发明提出一种用于描述金属熔体中空化强度的方法，该方法以瞬态空化噪声频域能量ET为基础，以ET占总能量比值以及ET与ED、ES的比值为表征方法，其计算公式为：
式中，QE表示瞬态空化噪声能量与空化噪声总能量的比值；QES表示瞬态空化噪声能量与稳态空化噪声能量的比值；QED分别表示瞬态空化噪声能量与驱动噪声能量的比值；三者从不同角度描述了瞬态空化噪声的强弱，即作为空化强度表征。
由ED、ES、ET的计算公式可知，nf0和(n+0.5)f0的取值决定了其各部分能量计算的准确性。然而由于超声换能器与功率放大器的为高功率器件，每次启动时，已知的固定主频率f0均会产生微小的随机频偏Δf，即主频率变为f0+Δf。对于f0的谐波nf0和(n+0.5)f0来说，由于倍数n的存在，会导致Δf被放大n倍，使得ED、ES、ET的计算出现误差。因此，本发明提出了一种新的计算方法用于消除误差，即在nf0和(n+0.5)f0的邻域内取能量最高值作为其能量值，算法如下：
其中，Max表示取域内最大值，Δf的取值与具体仪器有关，一般取不大于0.2f0的值即可满足要求。则相应的空化表征方法修正为
和
计算公式为：
本发明还提供了一种熔体超声空化强度计算系统，包括：
频谱图确定模块，用于对空化噪声做傅里叶变换，得到频谱图；所述空化噪声为功率超声施加于金属熔体时产生的声信号；所述空化噪声包括驱动噪声、稳态空化噪声和瞬态空化噪声；
中心频率确定模块，用于基于所述频谱图确定所述驱动噪声以及稳态空化噪声在频域上的中心频率；
频域能量计算模块，用于基于傅里叶变换后的空化噪声总能量、驱动噪声中心频率以及稳态空化噪声中心频率分别计算驱动噪声频域能量、稳态空化噪声频域能量以及瞬态空化噪声频域能量；
能量比值计算模块，用于基于傅里叶变换后的空化噪声总能量、所述驱动噪声频域能量、所述稳态空化噪声频域能量以及所述瞬态空化噪声频域能量，计算用于表征空化强度的能量比值。
本发明实施例一所述超声空化强度表征方法，将超声空化场噪声按照空化泡行为分为驱动噪声、稳态空化噪声、瞬态空化噪声三部分，对应不同的空化效应作用机制，具有明确的物理意义。将空化噪声能量按其对应的不同噪声类型分为驱动噪声频域能量ED、稳态空化噪声频域能量ES、瞬态空化噪声频域能量ET，并依据三者在频域上的差异给出了其计算公式。
与稳态空化相比，瞬态空化会产生局部高温高压与微射流，与熔体凝固后的组织均匀细化密切相关，即瞬态空化越强其空化效应愈明显。故以瞬态空化噪声能量与空化噪声总能量、稳态空化噪声能量、驱动噪声能量的比值QE、QES、QED作为超声空化强度表征，可更为准确的刻画熔体中空化效应的强弱。超声空化强度表征以能量占比这一相对物理量作为表征参数，其比值与超声导入装置之间的差异无关，表征方法具有普适性。
实施例二：
如图2所示，一种熔体超声空化强度计算方法包括以下步骤：
步骤201：对空化噪声做傅里叶变换，得到频谱图；所述空化噪声为功率超声施加于金属熔体时产生的声信号；所述空化噪声包括驱动噪声、稳态空化噪声和瞬态空化噪声。
步骤202：基于所述频谱图确定所述驱动噪声以及稳态空化噪声在频域上的中心频率；
步骤203：基于傅里叶变换后的空化噪声总能量、驱动噪声中心频率以及稳态空化噪声中心频率分别计算驱动噪声声压级、稳态空化噪声声压级以及瞬态空化噪声声压级。具体的：
步骤2031：确定所述驱动噪声中心频率的邻域内的最高能量值，为第一最高能量值；
步骤2032：基于所述第一最高能量值计算驱动噪声声压级；
步骤2033：确定所述稳态空化噪声中心频率的邻域内的最高能量值，为第二最高能量值；
步骤2034：基于所述第二最高能量值计算稳态空化噪声声压级；
步骤2035：基于所述傅里叶变换后的空化噪声总能量、所述驱动噪声声压级以及所述稳态空化噪声声压级，计算瞬态空化噪声声压级。
步骤204：基于总声压级、所述驱动噪声声压级、所述稳态空化噪声声压级以及所述瞬态空化噪声声压级，计算用于表征空化强度的声压级差值。
详细过程如下：
功率超声施加于金属熔体时所产生的声信号称之为空化噪声，本发明将按照熔体内空化泡行为将空化噪声分为三类：驱动噪声、稳态空化噪声、瞬态空化噪声。经模数转换之后，对空化噪声做傅里叶变换，得到典型频谱图，如图4所示，f0为功率超声的主频率。其中，驱动噪声与稳态空化噪声在频域上分别表现为中心频率为nf0和(n+0.5)f0的线谱，瞬态空化噪声表现为除前述线谱之外的宽带连续谱。
驱动噪声声压级SPLD、稳态空化噪声声压级SPLS、瞬态空化噪声声压级SPLT的计算方法为：
式中Lm为传感器灵敏度，Lr为传感器调理放大电路的增益，二者单位均为dB；S(f)表示空化噪声s(t)的离散傅里叶变换，f0表示施加于金属熔体中的功率超声主频率，是与超声换能器和功率放大器有关的已知固定值；nf0表示f0的整数倍，即f0的谐波成分，二者来自于驱动噪声，与空化场无关，其频谱形状呈线状，称为线谱；(n+0.5)f0为稳态空化噪声对应的频率，来自于空化场中空化泡参数振动与非线性脉动，与稳态空化有关；S(f)的剩余部分则来自于空化泡的混沌运动与溃灭，与瞬态空化有关。
在金属凝固过程中施加功率超声可显著提升金属性能，其原因在于空化场中大量空化泡的混沌运动和溃灭可分别产生除气与枝晶断裂的作用，其作用效果与空化泡的瞬态空化行为有关。针对上述特点，本发明提出一种用于描述金属熔体中空化强度的方法，该方法以瞬态空化噪声声压级SPLT为基础，以SPLT本身、SPLT与总声压级SPLTotal之差QSPL、以及SPLT与SPLD之差QSPLD、以及SPLT与SPLS之差QSPLS为表征方法，其计算公式为：
QSPLD＝SPLT-SPLD
QSPLS＝SPLT-SPLS
由SPLD、SPLS、SPLT的计算公式可知，nf0和(n+0.5)f0的取值决定了其各部分声压级计算的准确性。然而由于超声换能器与功率放大器的为高功率器件，每次启动时，已知的固定主频率f0均会产生微小的随机频偏Δf，即主频率变为f0+Δf。对于f0的谐波nf0和(n+0.5)f0来说，由于倍数n的存在，会导致Δf被放大n倍，使得SPLD、SPLS、SPLT的计算出现误差。故，本发明提出了一种新的计算方法用于消除误差，即在nf0和(n+0.5)f0的邻域内取能量最高值作为其能量值，算法如下：
其中，
其中,
其中，Max表示取域内最大值，Δf的取值与具体仪器有关，一般取不大于0.2f0的值即可满足要求。则相应的空化表征方法修正为
和
计算公式为：
本发明还提供了一种熔体超声空化强度计算系统，包括：
频谱图确定模块，用于对空化噪声做傅里叶变换，得到频谱图；所述空化噪声为功率超声施加于金属熔体时产生的声信号；所述空化噪声包括驱动噪声、稳态空化噪声和瞬态空化噪声；
中心频率确定模块，用于基于所述频谱图确定所述驱动噪声以及稳态空化噪声在频域上的中心频率；
声压级计算模块，用于基于傅里叶变换后的空化噪声总能量、驱动噪声中心频率以及稳态空化噪声中心频率分别计算驱动噪声声压级、稳态空化噪声声压级以及瞬态空化噪声声压级；
声压级差值计算模块，用于基于总声压级、所述驱动噪声声压级、所述稳态空化噪声声压级以及所述瞬态空化噪声声压级，计算用于表征空化强度的声压级差值。
声压级之差作为表征参数，其差值消除了超声导入装置环境噪声影响，且使用了标准物理量声压级来表示空化强度，超声导入装置之间的差异转换为可量化的物理量，其表征方法同样具有普适性。
实施例三：
如图3所示，一种熔体超声空化强度计算方法包括以下步骤：
步骤301：对空化噪声做傅里叶变换，得到频谱图；所述空化噪声为功率超声施加于金属熔体时产生的声信号；所述空化噪声包括驱动噪声、稳态空化噪声和瞬态空化噪声。
步骤302：基于所述频谱图确定所述驱动噪声以及稳态空化噪声在频域上的中心频率。
步骤303：基于傅里叶变换后的空化噪声总能量、驱动噪声中心频率以及稳态空化噪声中心频率分别计算驱动噪声声压级、稳态空化噪声声压级以及瞬态空化噪声声压级。
步骤304：基于参考声压、所述驱动噪声声压级、所述稳态空化噪声声压级以及所述瞬态空化噪声声压级分别计算驱动噪声声强、稳态空化噪声声强以及瞬态空化噪声声强。具体包括：
步骤3041：确定所述驱动噪声中心频率的邻域内的最高能量值，为第一最高能量值；
步骤3042：基于所述第一最高能量值计算驱动噪声声压级；
步骤3043：基于所述驱动噪声声压级以及参考声压计算驱动噪声声强；
步骤3044：确定所述稳态空化噪声中心频率的邻域内的最高能量值，为第二最高能量值；
步骤3045：基于所述第二最高能量值计算稳态空化噪声声压级；
步骤3046：基于所述稳态空化噪声声压级以及参考声压计算稳态空化噪声声强；
步骤3047：基于所述傅里叶变换后的空化噪声总能量、所述驱动噪声声压级以及所述稳态空化噪声声压级，计算瞬态空化噪声声压级；
步骤3048：基于所述瞬态空化噪声声压级以及参考声压计算瞬态空化噪声声强。
步骤305：基于总声强、所述驱动噪声声强、所述稳态空化噪声声强以及所述瞬态空化噪声声强，计算用于表征空化强度的声强比值。
详细过程如下：
功率超声施加于金属熔体时所产生的声信号称之为空化噪声，本发明将按照熔体内空化泡行为将空化噪声分为三类：驱动噪声、稳态空化噪声、瞬态空化噪声。经模数转换之后，对空化噪声做傅里叶变换，得到典型频谱图，如图4所示，f0为功率超声的主频率。其中，驱动噪声与稳态空化噪声在频域上分别表现为中心频率为nf0和(n+0.5)f0的线谱，瞬态空化噪声表现为除前述线谱之外的宽带连续谱。
驱动噪声声强ID、稳态空化噪声声强IS、瞬态空化噪声声强IT的计算方法为：
式中Lm为传感器灵敏度，Lr为传感器调理放大电路的增益，二者单位均为dB；Pref为参考声压，此处取为1uPa。SPLD表示驱动噪声声压级，SPLS表示稳态空化噪声声压级，SPLT表示瞬态空化噪声声压级。S(f)表示空化噪声s(t)的离散傅里叶变换，f0表示施加于金属熔体中的功率超声主频率，是与超声换能器和功率放大器有关的已知固定值；nf0表示f0的整数倍，即f0的谐波成分，二者来自于驱动噪声，与空化场无关，其频谱形状呈线状，称为线谱；(n+0.5)f0为稳态空化噪声对应的频率，来自于空化场中空化泡参数振动与非线性脉动，与稳态空化有关；S(f)的剩余部分则来自于空化泡的混沌运动与溃灭，与瞬态空化有关。
在金属凝固过程中施加功率超声可显著提升金属性能，其原因在于空化场中大量空化泡的混沌运动和溃灭可分别产生除气与枝晶断裂的作用，其作用效果与空化泡的瞬态空化行为有关。针对上述特点，本发明提出一种用于描述金属熔体中空化强度的方法，该方法以瞬态空化噪声声强IT为基础，以声强值IT本身、IT与总声强ITotal的比值QI、IT与ID、IS的比值QID、QIS为表征方法，其计算公式分别为：
由ID、IS、IT的计算公式可知，nf0和(n+0.5)f0的取值决定了其各部分能量计算的准确性。然而由于超声换能器与功率放大器的为高功率器件，每次启动时，已知的固定主频率f0均会产生微小的随机频偏Δf，即主频率变为f0+Δf。对于f0的谐波nf0和(n+0.5)f0来说，由于倍数n的存在，会导致Δf被放大n倍，使得ID、IS、IT的计算出现误差。故，本发明提出了一种新的计算方法用于消除误差，即在，nf0和(n+0.5)f0的邻域内取能量最高值作为其能量值，算法如下：
其中,
其中，
其中，
其中，Max表示取域内最大值，Δf的取值与具体仪器有关，一般取不大于0.2f0的值即可满足要求。则相应的空化表征方法修正为
和
计算公式为：
本发明还提供了一种熔体超声空化强度计算系统，包括：
频谱图确定模块，用于对空化噪声做傅里叶变换，得到频谱图；所述空化噪声为功率超声施加于金属熔体时产生的声信号；所述空化噪声包括驱动噪声、稳态空化噪声和瞬态空化噪声；
中心频率确定模块，用于基于所述频谱图确定所述驱动噪声以及稳态空化噪声在频域上的中心频率；
声压级计算模块，用于基于傅里叶变换后的空化噪声总能量、驱动噪声中心频率以及稳态空化噪声中心频率分别计算驱动噪声声压级、稳态空化噪声声压级以及瞬态空化噪声声压级；
声强计算模块，用于基于参考声压、所述驱动噪声声压级、所述稳态空化噪声声压级以及所述瞬态空化噪声声压级分别计算驱动噪声声强、稳态空化噪声声强以及瞬态空化噪声声强；
声强比值计算模块，用于基于总声强、所述驱动噪声声强、所述稳态空化噪声声强以及所述瞬态空化噪声声强，计算用于表征空化强度的声强比值。
本发明所述超声空化强度表征方法，将超声空化场噪声按照空化泡行为分为驱动噪声、稳态空化噪声、瞬态空化噪声三部分，对应不同的空化效应作用机制，具有明确的物理意义。将空化噪声总声强按其对应的不同噪声类型分为驱动噪声声强ID、稳态空化噪声声强IS、瞬态空化噪声声强IT，并依据三者在频域上的差异，利用帕萨瓦尔定理给出了计算公式。与稳态空化相比，瞬态空化会产生局部高温高压与微射流，与熔体凝固后的组织均匀细化密切相关，即瞬态空化越强其空化效应愈明显。故以瞬态空化噪声声强IT、IT与总声强的比值QI、IT与ID的比值QID、IT与IS的比值QIS为表征方法，可更为准确的刻画熔体中空化效应的强弱。超声空化强度表征以声强绝对值为表征参数，为一意义明确的绝对物理量，具有普适性。超声空化强度表征以声强占比作为表征参数，其比值为一相对量，与传感器灵敏度无关，表征方法不仅具有普适性，而且无需校准传感器。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种熔体超声空化强度计算方法，其特征在于，包括：
对空化噪声做傅里叶变换，得到频谱图；所述空化噪声为功率超声施加于金属熔体时产生的声信号；所述空化噪声包括驱动噪声、稳态空化噪声和瞬态空化噪声；
基于所述频谱图确定所述驱动噪声以及稳态空化噪声在频域上的中心频率；
基于傅里叶变换后的空化噪声总能量、驱动噪声中心频率以及稳态空化噪声中心频率分别计算驱动噪声频域能量、稳态空化噪声频域能量以及瞬态空化噪声频域能量；
基于傅里叶变换后的空化噪声总能量、所述驱动噪声频域能量、所述稳态空化噪声频域能量以及所述瞬态空化噪声频域能量，计算用于表征空化强度的能量比值。
2.根据权利要求1所述的熔体超声空化强度计算方法，其特征在于，基于傅里叶变换后的空化噪声总能量、驱动噪声中心频率以及稳态空化噪声中心频率分别计算驱动噪声频域能量、稳态空化噪声频域能量以及瞬态空化噪声频域能量，具体包括：
确定所述驱动噪声中心频率的邻域内的最高能量值，为第一最高能量值；
基于所述第一最高能量值计算驱动噪声频域能量；
确定所述稳态空化噪声中心频率的邻域内的最高能量值，为第二最高能量值；
基于所述第二最高能量值计算稳态空化噪声频域能量；
基于所述傅里叶变换后的空化噪声总能量、所述驱动噪声频域能量以及所述稳态空化噪声频域能量，计算瞬态空化噪声频域能量。
3.一种熔体超声空化强度计算系统，其特征在于，包括：
频谱图确定模块，用于对空化噪声做傅里叶变换，得到频谱图；所述空化噪声为功率超声施加于金属熔体时产生的声信号；所述空化噪声包括驱动噪声、稳态空化噪声和瞬态空化噪声；
中心频率确定模块，用于基于所述频谱图确定所述驱动噪声以及稳态空化噪声在频域上的中心频率；
频域能量计算模块，用于基于傅里叶变换后的空化噪声总能量、驱动噪声中心频率以及稳态空化噪声中心频率分别计算驱动噪声频域能量、稳态空化噪声频域能量以及瞬态空化噪声频域能量；
能量比值计算模块，用于基于傅里叶变换后的空化噪声总能量、所述驱动噪声频域能量、所述稳态空化噪声频域能量以及所述瞬态空化噪声频域能量，计算用于表征空化强度的能量比值。
4.一种熔体超声空化强度计算方法，其特征在于，包括：
对空化噪声做傅里叶变换，得到频谱图；所述空化噪声为功率超声施加于金属熔体时产生的声信号；所述空化噪声包括驱动噪声、稳态空化噪声和瞬态空化噪声；
基于所述频谱图确定所述驱动噪声以及稳态空化噪声在频域上的中心频率；
基于傅里叶变换后的空化噪声总能量、驱动噪声中心频率以及稳态空化噪声中心频率分别计算驱动噪声声压级、稳态空化噪声声压级以及瞬态空化噪声声压级；
基于总声压级、所述驱动噪声声压级、所述稳态空化噪声声压级以及所述瞬态空化噪声声压级，计算用于表征空化强度的声压级差值。
5.根据权利要求4所述的熔体超声空化强度计算方法，其特征在于，基于傅里叶变换后的空化噪声总能量、驱动噪声中心频率以及稳态空化噪声中心频率分别计算驱动噪声声压级、稳态空化噪声声压级以及瞬态空化噪声声压级，具体包括：
确定所述驱动噪声中心频率的邻域内的最高能量值，为第一最高能量值；
基于所述第一最高能量值计算驱动噪声声压级；
确定所述稳态空化噪声中心频率的邻域内的最高能量值，为第二最高能量值；
基于所述第二最高能量值计算稳态空化噪声声压级；
基于所述傅里叶变换后的空化噪声总能量、所述驱动噪声声压级以及所述稳态空化噪声声压级，计算瞬态空化噪声声压级。
6.一种熔体超声空化强度计算系统，其特征在于，包括：
频谱图确定模块，用于对空化噪声做傅里叶变换，得到频谱图；所述空化噪声为功率超声施加于金属熔体时产生的声信号；所述空化噪声包括驱动噪声、稳态空化噪声和瞬态空化噪声；
中心频率确定模块，用于基于所述频谱图确定所述驱动噪声以及稳态空化噪声在频域上的中心频率；
声压级计算模块，用于基于傅里叶变换后的空化噪声总能量、驱动噪声中心频率以及稳态空化噪声中心频率分别计算驱动噪声声压级、稳态空化噪声声压级以及瞬态空化噪声声压级；
声压级差值计算模块，用于基于总声压级、所述驱动噪声声压级、所述稳态空化噪声声压级以及所述瞬态空化噪声声压级，计算用于表征空化强度的声压级差值。
7.一种熔体超声空化强度计算方法，其特征在于，包括：
对空化噪声做傅里叶变换，得到频谱图；所述空化噪声为功率超声施加于金属熔体时产生的声信号；所述空化噪声包括驱动噪声、稳态空化噪声和瞬态空化噪声；
基于所述频谱图确定所述驱动噪声以及稳态空化噪声在频域上的中心频率；
基于傅里叶变换后的空化噪声总能量、驱动噪声中心频率以及稳态空化噪声中心频率分别计算驱动噪声声压级、稳态空化噪声声压级以及瞬态空化噪声声压级；
基于参考声压、所述驱动噪声声压级、所述稳态空化噪声声压级以及所述瞬态空化噪声声压级分别计算驱动噪声声强、稳态空化噪声声强以及瞬态空化噪声声强；
基于总声强、所述驱动噪声声强、所述稳态空化噪声声强以及所述瞬态空化噪声声强，计算用于表征空化强度的声强比值。
8.根据权利要求7所述的熔体超声空化强度计算方法，其特征在于，基于参考声压、所述驱动噪声声压级、所述稳态空化噪声声压级以及所述瞬态空化噪声声压级分别计算驱动噪声声强、稳态空化噪声声强以及瞬态空化噪声声强，具体包括：
确定所述驱动噪声中心频率的邻域内的最高能量值，为第一最高能量值；
基于所述第一最高能量值计算驱动噪声声压级；
基于所述驱动噪声声压级以及参考声压计算驱动噪声声强；
确定所述稳态空化噪声中心频率的邻域内的最高能量值，为第二最高能量值；
基于所述第二最高能量值计算稳态空化噪声声压级；
基于所述稳态空化噪声声压级以及参考声压计算稳态空化噪声声强；
基于所述傅里叶变换后的空化噪声总能量、所述驱动噪声声压级以及所述稳态空化噪声声压级，计算瞬态空化噪声声压级；
基于所述瞬态空化噪声声压级以及参考声压计算瞬态空化噪声声强。
9.一种熔体超声空化强度计算系统，其特征在于，包括：
频谱图确定模块，用于对空化噪声做傅里叶变换，得到频谱图；所述空化噪声为功率超声施加于金属熔体时产生的声信号；所述空化噪声包括驱动噪声、稳态空化噪声和瞬态空化噪声；
中心频率确定模块，用于基于所述频谱图确定所述驱动噪声以及稳态空化噪声在频域上的中心频率；
声压级计算模块，用于基于傅里叶变换后的空化噪声总能量、驱动噪声中心频率以及稳态空化噪声中心频率分别计算驱动噪声声压级、稳态空化噪声声压级以及瞬态空化噪声声压级；
声强计算模块，用于基于参考声压、所述驱动噪声声压级、所述稳态空化噪声声压级以及所述瞬态空化噪声声压级分别计算驱动噪声声强、稳态空化噪声声强以及瞬态空化噪声声强；
声强比值计算模块，用于基于总声强、所述驱动噪声声强、所述稳态空化噪声声强以及所述瞬态空化噪声声强，计算用于表征空化强度的声强比值。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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