聲化學(xué)能量測(cè)量?jī)x的研究

孔亞廣 徐 濤

(杭州電子科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，杭州 310018)

在當(dāng)今超聲波聲化學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域，因?yàn)槔碚撗芯亢蛯?shí)際應(yīng)用的需要，人們一直在研究超聲能量(以下簡(jiǎn)稱聲強(qiáng))的測(cè)量方法。在聲化學(xué)中，聲強(qiáng)值和聲場(chǎng)分布對(duì)研究超聲波對(duì)反應(yīng)釜中物體的空化作用具有非常重要的價(jià)值。

目前測(cè)量聲強(qiáng)比較常用的方法是水聽器法[1]，采用的傳感器是水聽器。水聽器是一種相對(duì)靈敏的傳感器，它可將聲場(chǎng)中某點(diǎn)處的瞬時(shí)聲壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再將此信號(hào)送到外圍電路進(jìn)行處理并通過(guò)CPU計(jì)算出聲強(qiáng)值。另外一種方法是壓差法[2]，其測(cè)量原理是：通過(guò)U型壓差計(jì)測(cè)出聲輻射壓強(qiáng)，再結(jié)合聲速進(jìn)行換算得到聲強(qiáng)值。壓差法測(cè)量裝置由超聲波發(fā)生器、換能器、三維定位儀和U型微差計(jì)組成。目前，聲強(qiáng)測(cè)量的主要難題是沒(méi)有合適的傳感器能準(zhǔn)確測(cè)量質(zhì)點(diǎn)振速[3，4]。

筆者利用壓電傳感器將超聲輻射各個(gè)場(chǎng)點(diǎn)的聲波所產(chǎn)生的瞬時(shí)聲壓信號(hào)經(jīng)過(guò)壓電傳感器轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)[5]，再經(jīng)過(guò)二階高通濾波器濾波后進(jìn)入聲強(qiáng)測(cè)量?jī)x，經(jīng)聲強(qiáng)測(cè)量?jī)x進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后得到實(shí)時(shí)聲強(qiáng)值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案①

1.1 總體架構(gòu)描述

根據(jù)文獻(xiàn)[1，2]所述，在誤差精度要求不高的情況下用水聽器測(cè)量時(shí)，在平面波的作用下其聲壓平方與聲強(qiáng)值呈正比例關(guān)系，筆者基于壓電傳感器原理，將聲壓信號(hào)等比例轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，從而可得I=KU2，其中，K為標(biāo)定系數(shù)，與介質(zhì)密度、介質(zhì)中超聲傳播速度和傳感器特性相關(guān)；U為傳感器端的電壓值。為此，所設(shè)計(jì)的聲強(qiáng)測(cè)量?jī)x接收從傳感器轉(zhuǎn)換而來(lái)的電壓信號(hào)，然后外接截止頻率10kHz的二階高通濾波器，依次經(jīng)過(guò)整流、放大、濾波，最后進(jìn)入A/D，由單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并實(shí)時(shí)顯示。

1.2 硬件架構(gòu)圖

如圖1所示，聲強(qiáng)測(cè)量?jī)x采用的主控芯片為STC12C5628AD，自帶8位10路的A/D采樣，液晶采用12864(點(diǎn)陣顯示)；采樣芯片是LM358，經(jīng)

圖1 聲強(qiáng)測(cè)量?jī)x硬件結(jié)構(gòu)

放大的信號(hào)再經(jīng)過(guò)二階濾波進(jìn)入單片機(jī)，外部9V電池經(jīng)過(guò)LM2596-5V降壓到5V給芯片供電，k1、k2是兩個(gè)外部中斷按鍵。

1.3 軟件工作流程

聲強(qiáng)測(cè)量?jī)x軟件工作流程如圖2所示，對(duì)從A/D口采集的電壓信號(hào)進(jìn)行濾波處理后，利用聲強(qiáng)公式計(jì)算實(shí)時(shí)聲強(qiáng)值。設(shè)定定時(shí)器0中斷優(yōu)先級(jí)最高，通過(guò)外部中斷按鍵k1、k2進(jìn)行參數(shù)K的標(biāo)定?？赏ㄟ^(guò)串口將實(shí)時(shí)聲強(qiáng)值傳遞給上位機(jī)，并接收上位機(jī)傳來(lái)的對(duì)標(biāo)定參數(shù)K的設(shè)定。

2 硬件電路

2.1 供電

如圖3所示，本聲強(qiáng)測(cè)量?jī)x采用外部的9V電池供電，然后經(jīng)LM2596-5V的電源芯片將9V電壓轉(zhuǎn)換成5V給STC12C5628AD和運(yùn)放LM358供電。電路中并聯(lián)多個(gè)值為0.1μF電容是為了濾除干擾信號(hào)，尤其是高頻干擾[6]。

2.2 電池電量檢測(cè)

如圖4所示，A端口是電池正極輸入，P1^1連接單片機(jī)A/D口。采用兩個(gè)10kΩ電阻進(jìn)行分壓以保證單片機(jī)引腳輸入電壓最大不超過(guò)5.5V，然后將電池電量采用圖形格式顯示在12864液晶屏右上方。

圖2 聲強(qiáng)測(cè)量?jī)x軟件工作流程

圖3 9V轉(zhuǎn)5V電路

圖4 電池電量檢測(cè)電路

2.3 外部信號(hào)的整流放大

如圖5所示，LM358是雙運(yùn)放，筆者只用其中一個(gè)運(yùn)放，但是另外一個(gè)運(yùn)放不懸空[7]。P3是壓電傳感器的輸入端，經(jīng)過(guò)二極管整流，然后經(jīng)過(guò)LM358運(yùn)放放大。查看芯片手冊(cè)可知，LM358可單電源供電范圍是(3，30)V，輸出電壓擺幅是(0，Vcc-1.5)V，單位增益頻帶寬接近1MHz，筆者所研發(fā)的聲強(qiáng)測(cè)量?jī)x檢測(cè)的頻率范圍是15～100kHz，所以選擇該運(yùn)放在理論上符合要求。

圖5 外部信號(hào)的整流放大電路

2.4 串口通信

聲強(qiáng)測(cè)量?jī)x通過(guò)PL2303芯片組成的串口電路與上位機(jī)進(jìn)行通信(圖6)[8]，可將實(shí)時(shí)聲強(qiáng)值發(fā)送到上位機(jī)，并接收上位機(jī)對(duì)系數(shù)K的設(shè)定。

圖6 USB轉(zhuǎn)串口電路

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)一，準(zhǔn)備一臺(tái)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，用聲強(qiáng)測(cè)量?jī)x分別測(cè)試在20、28、40、60kHz頻率下，峰值分別為1.4、1.6、1.8、2.0、2.2、2.4、3.0、3.2V時(shí)的聲強(qiáng)值，結(jié)果如圖7所示。

從圖7可知，在函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)下，在同一頻率下，輸入信號(hào)強(qiáng)度與聲強(qiáng)值呈線性關(guān)系。不同頻率，相同的信號(hào)幅值，聲強(qiáng)值不同，這說(shuō)明聲強(qiáng)值不僅與信號(hào)幅值相關(guān)，還與信號(hào)頻率相關(guān)。

實(shí)驗(yàn)二，準(zhǔn)備一臺(tái)超聲波發(fā)生器，柱形九節(jié)鞭式大功率超聲換能器，功率表和一個(gè)直徑30cm、高度1.2m、厚度0.5cm的超聲消音制作的水桶。 將塑料桶里裝滿去氣的蒸餾水，啟動(dòng)超聲發(fā)生器驅(qū)動(dòng)大功率超聲換能器工作。理論上在超聲換能器對(duì)稱的兩個(gè)位置處的聲強(qiáng)值是基本相同的，本實(shí)驗(yàn)采用參數(shù)一致的壓電傳感器分別插在大功率換能器的水下對(duì)稱位置，用兩臺(tái)配置相同的聲強(qiáng)測(cè)量?jī)x分別測(cè)試兩點(diǎn)的聲強(qiáng)，并記錄不同超聲功率下的聲強(qiáng)值，結(jié)果如圖8所示。設(shè)備1、設(shè)備2代表兩臺(tái)配置相同的聲強(qiáng)測(cè)量?jī)x。

圖7 不同峰值下的聲強(qiáng)值

圖8 不同功率下的聲強(qiáng)值

從圖8可知，筆者所設(shè)計(jì)的聲強(qiáng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量的聲強(qiáng)值與超聲發(fā)生器的輸出功率呈正比例關(guān)系，且對(duì)稱兩點(diǎn)處的聲強(qiáng)值也基本一致，與理論相符。

實(shí)驗(yàn)三，在實(shí)驗(yàn)二條件的基礎(chǔ)上，超聲波發(fā)生器的功率輸出分別為500、600W，將壓電傳感器固定在水桶中的一點(diǎn)，測(cè)量一段時(shí)間內(nèi)該點(diǎn)處的聲強(qiáng)。通過(guò)安捷倫示波器對(duì)壓電傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行采樣，并進(jìn)行頻譜分析。將頻譜幅值與文中所示的聲強(qiáng)測(cè)量?jī)x的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較分析，不同功率下的頻譜圖如圖9所示。

圖9 不同功率下的頻譜圖

由圖9可知，在500W功率下，得到的3組聲強(qiáng)平均值分別為0.204、0.233、0.232W/cm2，平均聲強(qiáng)值為0.223W/cm2。對(duì)圖8采用最小二乘法可得到優(yōu)化后的標(biāo)定系數(shù)值。經(jīng)標(biāo)定后，得到采用聲強(qiáng)測(cè)量?jī)x測(cè)得的聲強(qiáng)值是0.219W/cm2，誤差是0.9%。在600W功率下，得到的3組聲強(qiáng)平均值分別為0.360、0.370、0.359W/cm2，平均聲強(qiáng)值為0.363W/cm2。采用同樣的標(biāo)定系數(shù)，使用筆者所研制的聲強(qiáng)測(cè)量?jī)x測(cè)量得到的聲強(qiáng)值是0.365 W/cm2，誤差為0.6%。

分析導(dǎo)致上述誤差的主要原因如下：換能器本身的非線性使得其傳遞到聲場(chǎng)中的聲功率并不是隨著輸入電功率的增加而線性增加的，當(dāng)輸入功率達(dá)到一定程度時(shí)，換能器可能已經(jīng)達(dá)到飽和狀態(tài)了；由于負(fù)載水溫的升高會(huì)對(duì)傳感器精度造成影響，影響精度；由于超聲電源輸出功率也存在一定的精度，對(duì)結(jié)果也有一定的影響，此外水桶表面的回波對(duì)聲強(qiáng)場(chǎng)也會(huì)產(chǎn)生干擾。

綜上所述，在上述條件下測(cè)試兩個(gè)特定功率(500、600W)下的聲強(qiáng)值與理論計(jì)算的聲強(qiáng)值進(jìn)行對(duì)比，誤差在容許范圍內(nèi)。并且該設(shè)備測(cè)試方法簡(jiǎn)單，符合工程實(shí)際應(yīng)用。

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者基于壓電傳感器，研究開發(fā)了一款超聲聲強(qiáng)測(cè)量?jī)x表，頻率范圍可達(dá)到15～100kHz，相比其他聲強(qiáng)測(cè)量設(shè)備，擴(kuò)大了頻率范圍，并且該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于使用，適用于測(cè)量超聲清洗機(jī)的清洗效果。但由于筆者是采用單壓電傳感器進(jìn)行聲強(qiáng)測(cè)量，沒(méi)有對(duì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度進(jìn)行直接檢測(cè)，因此其測(cè)量精度相對(duì)偏低，今后應(yīng)研究在雙壓電傳感器或壓電傳感器與振動(dòng)速度傳感器相結(jié)合的聲強(qiáng)測(cè)量方法，以提高檢測(cè)精度。

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