基于MATLAB的超聲空化場表征與三維可視化

劉麗艷，聞精精，楊 洋，譚 蔚

(天津大學化工學院，天津 300072)

基于MATLAB的超聲空化場表征與三維可視化

劉麗艷，聞精精，楊 洋，譚 蔚

(天津大學化工學院，天津 300072)

超聲空化場強度逐點掃描的測量方法耗時耗力，不利于其應用，鋁箔腐蝕法廉價易得，操作簡單，對空化場影響小，但定量性差．以鋁箔腐蝕法測定超聲清洗槽中的空化強度，鋁箔樣品干燥后經掃描儀采集黑白圖像，導入MATLAB軟件圖像處理系統(tǒng)，編寫程序提取腐蝕點位置，統(tǒng)計腐蝕區(qū)域占整體區(qū)域的面積比，以腐蝕面積比大小衡量超聲空化強弱程度實現測量結果的量化．構造三維腐蝕面積比數據集，以不同顏色代表不同腐蝕強度將數據繪制于三維坐標系內，可實現超聲空化場可視化，任意平面內空化場強度分布圖可通過切片技術獲得．將超聲空化場表征結果進行切片分析，得到單換能器空化場分布規(guī)律的同時驗證表征方法的可靠性，為超聲強化過程機理研究奠定分析基礎．

超聲空化場；鋁箔腐蝕法；三維可視化；MATLAB

超聲是頻率大于20,kHz的聲波，能夠在液體介質中產生巨大的能量進而使質點獲得較高的加速度，功率超聲已經廣泛應用于超聲清洗、有機合成、污水處理、醫(yī)學治療等不同領域[1-4]．在過去幾十年中，許多學者對超聲能量的有效利用問題進行了大量研究，結果表明超聲通過空化效應來促進各種物理及化學變化[5-6]．典型的空化過程是指介質中空化泡形成、生長，最后潰陷并產生自由基、沖擊波等一系列的物理化學變化過程[7]．有研究表明空化泡在潰陷時最高溫度可以達到數千度，壓力可以達到數百個大氣壓[6]，這樣的極端條件為超聲反應器中的化學反應提供了獨特的環(huán)境，從而促進了化學反應產率的提高，并使得許多常規(guī)條件下無法實現的實驗得以完成．超聲反應器中的空化場分布極其復雜，聲波在傳播過程中會被器壁及界面反射，形成的空化泡會分散并吸收聲能，高功率會導致液體升溫，所以超聲槽中聲場及空化場的性質強烈依賴于時間，且反應器中聲壓的分布也不均勻，導致了反應器中形成高效區(qū)(高壓強高空化活性)和低效區(qū)(低壓強低空化活性)[1]．盡管存在這些技術困難，發(fā)展特定過程中的空化場強度的有效量化方法吸引了大量學者的注意[8-10]．通過對空化場的測量分析，可得到反應器內高效區(qū)域分布信息，從而指導反應容器區(qū)域設置，或者合理安排換能器陣列提高能量利用率，超聲空化場的表征已經成為評價超聲設備性能的重要手段．近幾年報道的超聲空化場測量方法有熱電偶探頭法、聲致發(fā)光成像法、水聽器法、鋁箔腐蝕法和碘釋放法等，每種方法的適用性、定量性、設備成本、操作難易程度等均不同．從定量角度看，水聽器法最好，但它的設備成本很高，且為了得到立體空間空化場的分布，通常需要采用針形水聽器對空化場進行逐點測量，這一過程耗時且昂貴，不利于工業(yè)規(guī)模應用[11]．聲致發(fā)光成像法可以直觀地看出空化場分布情況，但該法穩(wěn)定性差，且測量過程中需要向體系中加入外加試劑，改變溶液性質參數，使其適用范圍大大減小，這也是許多其他需外加試劑的方法存在的問題．而鋁箔腐蝕法廉價易得，操作簡單，對空化場整體分布影響最小，空化分布結果可永久保存，但定量性差是鋁箔腐蝕法最大的缺點[1,8]．

基于此，本文選用鋁箔腐蝕法對超聲空化場進行測量表征，采用MATLAB軟件強大的圖像處理和輔助分析功能處理腐蝕后的鋁箔圖樣，提取腐蝕區(qū)域的位置信息，計算腐蝕面積占整個區(qū)域的比例作為空化強弱程度的代表，實現超聲空化場的定量表征，并編寫程序實現整個立體空間超聲空化場強度分布的可視化.

1 實驗儀器與方法

1.1 儀 器

本實驗采用超聲清洗器(昆山超聲儀器有限公司，KQ-100KDB)進行測量實驗研究，其功率為100,W，頻率為40,kHz，清洗槽內部的長、寬、高分別為150,mm、140,mm、100,mm，換能器位于清洗槽底部中心．實驗中采用去離子水為反應媒質，所有實驗均保持液位在80,mm．

1.2 鋁箔腐蝕法

鋁箔質地柔軟，置于超聲清洗機中時，在超聲波的空化效應作用下，鋁箔會被腐蝕出許多小孔．將表面平整、厚度為20～30,μm的鋁箔放置在事先固定好形狀的框架上，水平置于超聲波清洗槽中，清洗槽中盛裝反應媒質，一定時間后關機取出鋁箔，對空化腐蝕后的鋁箔進行分析，以空化腐蝕的面積比來評價超聲波的空化強度，腐蝕面積比越大空化強度越強；以空化腐蝕點分布的均勻度來衡量超聲波的分布情況. 為避免鋁箔整塊脫落造成較大誤差，本實驗控制鋁箔腐蝕時間均為30,s，使鋁箔表面只產生凹坑變形而不穿孔．為保持實驗條件一致，每次測試后均更換槽中液體，以避免超聲脫氣作用所造成的影響．

2 超聲空化場三維可視化實現

2.1 數據預處理

為得到實現超聲空化場可視化所用數據，需對腐蝕后的鋁箔圖樣進行預處理．首先將實驗后的鋁箔干燥，以掃描儀(惠普，M1522nf)對腐蝕圖樣進行掃描取樣得到原始圖像，采用MATLAB軟件的imread函數讀取圖像，然后以imcrop函數截取有效評價區(qū)域，圖1中顯示的是距離清洗器底面40,mm處水平放置的鋁箔腐蝕后的圖像．最后根據閾值函數計算出的數值選取合適的閾值，對圖像進行二值化處理，并將數據存儲以備后續(xù)調用．

圖1 距底面40,mm處水平放置的鋁箔腐蝕圖像Fig.1Aluminium foil erosion pattern at 40,mm height from the bottom

2.2 超聲空化場的二維分布

將鋁箔水平放置在超聲槽不同高度z處，即鋁箔垂直于超聲換能器的軸線放置．如圖2所示，在距離清洗槽底面10～70,mm范圍內，每隔10,mm取一個測試平面，實驗溫度25,℃、控制液位高度80,mm、超聲功率100,W、超聲輻射時間30,s的條件下進行實驗，可得到一系列腐蝕圖樣，圖1即為腐蝕圖樣之一．為了改善鋁箔腐蝕法定量性差的缺點，實驗中采用MATLAB軟件將預處理后的腐蝕圖像進行了分塊處理，分別計算每一小塊內腐蝕面積占整個面積的比例作為該區(qū)域的相對強度，采用不同顏色代表不同強度，以超聲槽左前方底面頂點為原點，建立如圖2(b)所示的坐標體系，繪制同一平面內不同坐標處的強度數值即可得到量化的空化場二維分布圖，圖3為距離底面不同位置處空化場的二維分布結果．

圖2 鋁箔水平放置位置Fig.2 Level position of the aluminium foil

圖3 超聲空化場中水平方向切片空化強度分布Fig.3 Level distribution of cavitation intensity of the section in the ultrasonic cavitation field at different positions

2.3 超聲空化場的三維可視化

無論是提高聲化學反應效率還是優(yōu)化超聲反應器設計，都需要了解超聲反應器內不同位置處的空化場強度，本文在傳統(tǒng)鋁箔腐蝕法的基礎上進行數據后處理，借助MATLAB軟件的圖像處理功能實現了超聲空化場的三維可視化，完整流程如圖4所示．鋁箔腐蝕實驗的條件及測試位置與第2.2節(jié)中相同，預處理后將圖像進行分塊處理并計算面積比，然后用cat函數將距離反應器底部10～70,mm范圍內等間隔的7組鋁箔腐蝕數據按其原始空間位置構造成為三維體數據儲存于矩陣中，如圖5所示．對于兩測試平面之間的空白處，本文中采用線性插值的方法對數據進行處理，從而實現整個超聲空化場的可視化．最后，借助于MATLAB軟件中的slice函數可以實現空間中任意方向任意平面空化強度的顯示，圖6中給出了x=75,mm、y=70,mm、z=35,mm這3個平面內的空化強度．

圖4 超聲空化場三維可視化流程Fig.4 Procedure of three-dimension visualization of ultrasonic cavitation field

圖5 三維體數據的構造Fig.5 Construction of volume data

圖6 三維可視化超聲空化場示意Fig.6Three-dimension visualization of ultrasonic cavitation field

3.4 空化場表征結果分析

在x=45,mm、65,mm、85,mm、105,mm這4個位置處(見圖7)做豎直切片，可得到如圖8所示的空化強度分布結果．從圖中可見，空化強弱趨勢交替出現，呈帶狀分布，這主要是由于聲波在水空氣界面處發(fā)生了反射，在槽內形成了駐波造成的，圖中紅色區(qū)域為波腹，空化強度較高，藍色區(qū)域為波節(jié)，空化強度較弱．由于駐波現象的存在，使得空化場的分布變得不均勻，對空化效應的應用造成不利影響．許多學者對駐波現象進行報道，并研究消除駐波影響或減弱駐波效應的方法[9,12-13]，目前已有掃頻式清洗機出現，可以避免駐波影響．

圖7 切片在空化場中的豎直位置示意Fig.7 Vertical position of the section in cavitation field

從圖8可見，超聲空化場中存在3條明顯的帶狀分布區(qū)域，經測量，兩波腹間距離與聲波在水中傳播時的半波長相等，進一步證實了空化場的不均勻性是由于駐波造成的．從圖中還可以看到，越向上，圖像藍色區(qū)域面積越大，說明空化強度由底向上逐漸減弱，這是由聲波能量在傳播過程中被媒體吸收造成的．同時由于換能器尺寸和個數的限制，靠近清洗槽中央位置的紅色區(qū)域面積要大于兩邊的面積，表明換能器附近處的空化強度最大．通過對空化場不同位置處強度切片圖的分析，可以對單換能器清洗槽中超聲空化場分布有一定的了解，同時分布結果與理論良好的吻合關系也證實了表征方法的可靠性．

圖8 空化場中豎直方向空化強度分布Fig.8 Vertical distribution of the cavitation field at different positions

3 結論與展望

本文選用簡便快捷的鋁箔腐蝕法對超聲清洗器內的空化強度分布進行測量，以掃描的方式將腐蝕圖像采集入計算機，統(tǒng)計腐蝕區(qū)域占整個區(qū)域的面積比，實現了超聲空化場測量表征的量化．將鋁箔分塊，分別計算小區(qū)域內的腐蝕面積比，并將數據按其原始空間位置繪制于三維坐標系中，實現了整個超聲空化場的三維可視化．通過對由切片技術所獲得的空化場信息進行分析，證實了表征結果與聲學理論的一致性，即證實了表征結果的可靠性．但復雜的程序使得外專業(yè)的人無法熟練應用這一技術，不利于其進一步推廣應用，因此后續(xù)的實驗中將采用MATLAB軟件中的圖形用戶界面(GUI)功能將程序進行封裝，使用戶可以在輸入相關實驗數據后便得到整個空化場的強度數據及分布信息．此外，本次實驗僅對單換能器單發(fā)射頻率的超聲空化場進行了分析研究，接下來的實驗將測量不同換能器位置、不同反應器形狀及不同頻率組合對于超聲空化場的影響，設計并制造高性能的超聲化學反應器．

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Measurement and Visualization of Ultrasonic Cavitation Field Based on MATLAB

Liu Liyan，Wen Jingjing，Yang Yang，Tan Wei
(School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

The common technique for determining spatial sound pressure fields is to scan the sound field pointwise， which is time-consuming and expensive and thus limits its application in the industry. Aluminum foil erosion method is cheap and easy to operate and has little effect on cavitation field，but it cannot be quantified. In this paper， aluminium foils were used to measure the distribution of the ultrasonic cavitation field in an ultrasonic cleaning vessel. Foil sample was dried，and black and white images were collected by the scanner image processing system and then imported into the MATLAB software. The MATLAB programs help to find out the position of the erosion point and calculate the ratio of the erosion area to the entire area. The erosion ratios can reflect the intensity of the cavitation， which means that the quantitative result has been achieved. Three-dimension erosion ratio data set was then built. The visualization of the cavitation field was realized by graphing the data in a spatial coordinate system using different colors to represent the variation of cavitation intensity. The distribution of the cavitation field on any planes can be derived by slicing the cavitation field. The result analysis shows that the spatial distribution regularity of the single transducer ultrasonic cavitation field can be derived and the reliability of the measure method can be verified in the mean time.

ultrasonic cavitation field；aluminium foil erosion method；three-dimension visualization；MATLAB

TB55；O644

A

0493-2137(2013)12-1133-06

DOI 10.11784/tdxb20131213

2012-04-11；

2012-06-23.

長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃資助項目(IRT0936)．

劉麗艷（1977— ），女，博士，副教授，liuliyan@tju.edu.cn.

譚 蔚，wtan@tju.edu.cn.