空化噪聲譜研究

馮中營,吳勝舉

(1.太原工業(yè)學院 理學系,山西 太原 030008;2.陜西師范大學 應(yīng)用聲學研究所,陜西 西安 710062)

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空化噪聲譜研究

馮中營1,2,吳勝舉2

(1.太原工業(yè)學院 理學系,山西 太原 030008;2.陜西師范大學 應(yīng)用聲學研究所,陜西 西安 710062)

空化是一種特殊的水動力現(xiàn)象,為研究不同的空化方法產(chǎn)生的空化噪聲譜,文章理論上進行多孔板振動的計算,并用ANSYS模擬多孔板的振動,研究其振動頻率與測得的空化噪聲譜之間的聯(lián)系,初步對小處理量的壓電超聲換能器產(chǎn)生的超聲空化譜及大處理量的多孔板、簧片哨和漩渦哨三種水力空化譜進行比較分析,結(jié)果表明,在特定的條件下,測得的多孔板空化噪聲譜與壓電超聲換能器及簧片哨產(chǎn)生的空化噪聲譜類似,呈現(xiàn)明顯線狀譜特征,其他條件下多孔板空化噪聲譜與漩渦哨空化噪聲譜類似沒有明顯線狀譜特征．

空化;多孔板;壓電換能器;簧片哨;漩渦哨;空化噪聲譜

0 引言

超聲空化或者水力空化是指液體內(nèi)局部壓強降低到液體的飽和蒸氣壓時,液體內(nèi)部或液體與固體交界面上出現(xiàn)的蒸汽或氣體空泡的形成、發(fā)展和潰滅的過程．有關(guān)超聲空化及水力空化的研究包括空化產(chǎn)生的機理、空化腐蝕問題、空化泡流理論、空化的各種物理效應(yīng)及化學效應(yīng)和非定?？栈龋盟Φ臋C械設(shè)備、高速的實驗涵洞、船舶等的水翼和舵及流體中的各種兵器等都會遇到空化問題,致使制造所有的材料剝蝕,機械效率降低,并產(chǎn)生振動和顯著噪聲．但在流態(tài)的顯示、水力設(shè)備鉆孔和工業(yè)清洗零配件作業(yè)中,也可以發(fā)揮空化的有益作用．空化噪聲是一種很強的噪聲,在工程中應(yīng)盡量避免．空化噪聲譜已被國內(nèi)外研究者研究,研究范圍僅局限于理論或者實驗或者單一空化噪聲譜．產(chǎn)生空化的方法有很多種,為進一步分析空化產(chǎn)生的空化噪聲譜,本文首先進行多孔板(打有不同數(shù)量不同直徑的孔的圓片鋼板)振動頻率的理論計算與模擬,其次對實驗采集的多孔板、壓電超聲換能器、簧片哨(利用液體作為動力源沖擊簧片發(fā)聲的聲換能器)及漩渦哨(利用高速流動的液體產(chǎn)生漩渦空化并發(fā)出各頻率噪聲的裝置)三種水力空化裝置和一種超聲空化裝置產(chǎn)生的空化噪聲譜進行比較分析,研究理論計算得到的振動頻率、ANSYS模擬得到的振動頻率和通過水聽器采集的噪聲頻率的關(guān)系,比較不同方式產(chǎn)生的空化噪聲譜的差異．

1 多孔板空化時諧振頻率的理論分析計算與ANSYS數(shù)值模擬分析計算

1.1 多孔板空化時諧振頻率的理論分析計算

在實驗過程中,多孔板是一周邊界被用螺絲固定在實驗裝置上的,這時的振動方程可以認為[1-3]:

(1)

其中:1)η(t,x,y)表示多孔板圓面上要分析的某點在垂直與多孔板面方向上產(chǎn)生的位移.

求解得多孔板在圓周邊界固定的邊界條件下的頻率為:

(2)

多孔板的參數(shù)分別為:泊松比σ=0.28,楊氏模量E=19.5×1010N/m2, 密度ρ=7.8×103kg/m3,直徑a=0.075m,厚度h=0.004m．由柱貝塞爾函數(shù)的值得:μ1=3.20,μ2=6.30,μ3=9.44．

得基頻為:f1=7.10kHz,泛頻f2=27.75kHz,f3=62.10kHz．

1.2 多孔板振動頻率的ANSYS數(shù)值模擬計算

由于多孔板的特殊性,理論計算不十分符合實際,有限元分析軟件可以很好地解決這個問題,本文利用有限元分析軟件ANSYS對實驗所用的多孔板按照實際測量的實驗用多孔板的尺寸、孔的直徑、打孔的數(shù)目、打孔的孔分布情況建模,并使用ANSYS中的四面體單元進行模型的智能網(wǎng)格劃分[4-6]．假設(shè)多孔板在圓周邊界固定的邊界條件下振動,進行多孔板振動的模態(tài)分析,模擬結(jié)果得出各個多孔板的振動模態(tài)及各階振動頻率(見表1)．

表1 多孔板的振動頻率分布表

由ANSYS的數(shù)值模擬結(jié)果可知,在圓周邊界固定的邊界條件下,空化實驗所用的多孔板的各階振動頻率隨多孔板打孔徑及打孔數(shù)目的變化很小,在可聽聲頻率范圍內(nèi)的各階振動頻率分別為7 kHz與14 kHz．ANSYS模擬得到的7 kHz的頻率與在理論計算中得到的7.10 kHz基本相符．

2 三種不同孔徑多孔板的空化噪聲譜分析研究

為研究空化產(chǎn)生的空化噪聲譜,設(shè)計實驗裝置圖如圖1所示,用水聽器采集多孔板產(chǎn)生空化時的噪聲,并進行頻譜分析．在多孔板管道進口處流體壓強(以下簡稱流體壓強)相同的條件下,研究三種不同孔徑的多孔板的空化噪聲譜,噪聲幅度譜如圖2～4所示．

圖1 實驗設(shè)備圖

圖2為打孔的直徑為1 mm打孔的數(shù)量為36個的多孔板在管道流體壓強為0.5 MPa下的空化噪聲譜,大幅度對應(yīng)的峰值很少,僅有3個明顯的峰值頻率成分:0.88 kHz，3.52 kHz，9.04 kHz．

圖3為打孔的直徑為3 mm打孔的數(shù)量為1個的多孔板在管道流體壓強為0.5 MPa下的空化噪聲譜,實驗得到的空化噪聲譜中呈現(xiàn)特別清晰的線狀譜特征,并且大幅度對應(yīng)的峰值頻率有些并不在可聽聲的頻率范圍內(nèi),而是頻率升高至到大于20 kHz的超聲頻率頻段．本實驗條件下峰值頻率分別為6.15 kHz，8.02 kHz，11.82 kHz，15.63 kHz，19.29 kHz，22.75 kHz，26.37 kHz，38.53 kHz及42.04 kHz,呈現(xiàn)出的諧波與分諧波的顯著特性,與打孔的直徑為1 mm多孔板的空化噪聲譜完全不同．

圖2 0.5 MPa管道流體壓強下的空化噪聲譜

圖3 0.5 MPa管道流體壓強下的空化噪聲譜

圖4 0.5 MPa管道流體壓強下的空化噪聲譜

圖4為打孔的直徑為2 mm打孔的數(shù)量為9個的多孔板在管道流體壓強為0.5 MPa下的空化噪聲譜,主峰值也明顯很少,僅有0.25 kHz，1.27 kHz，1.74 kHz，2.32 kHz的明顯頻率成分．這與打孔的直徑為1 mm多孔板的空化噪聲譜類似,與打孔的直徑為3 mm多孔板的空化噪聲譜也完全不同．

3 多孔板與其他空化方式產(chǎn)生的空化噪聲譜比較分析

為比較不同的空化方式產(chǎn)生的空化噪聲譜,本文對壓電超聲換能器產(chǎn)生的超聲空化噪聲普及簧片哨和漩渦哨產(chǎn)生的水力空化噪聲譜進行了測量與分析,實驗結(jié)果如圖5-7所示．

1)壓電超聲換能器產(chǎn)生超聲空化時測得的空化噪聲譜如圖5所示．

研究所采用的超聲換能器的基本頻率為26 kHz,此頻率即為壓電超聲換能器的所需要輸入的高頻電的頻率,圖5中所示的幅度最大時對應(yīng)的頻率為基本頻率的倍數(shù)．由此可以得出,超聲換能器的空化機理是換能器的核心部件壓電陶瓷在超聲信號發(fā)生器發(fā)出的高頻率電信號的策動下作高速的機械振動,機械振動傳入流體中,導致了超聲空化的產(chǎn)生．空化噪聲譜與圖3所示多孔板空化噪聲譜類似．

2)簧片哨產(chǎn)生水力空化時測得的空化噪聲譜如圖6所示．

圖5 壓電換能器的超聲空化噪聲譜

圖6 0.5 MPa管道流體壓強下的空化噪聲譜

在0.5 MPa管道流體壓強下測得簧片哨水力空化噪聲譜,圖6表明簧片哨水力空化的噪聲譜呈現(xiàn)非常明顯的線狀譜特征,可以得出結(jié)論在高壓強及高速流體的策動下,核心部件簧片進行快速的振動,產(chǎn)生具有明顯倍數(shù)關(guān)系的峰值頻率空化噪聲譜．空化噪聲譜圖與圖3所示多孔板空化噪聲譜、圖5所示壓電換能器產(chǎn)生空化噪聲譜類似．

3)漩渦哨產(chǎn)生空化時測得的空化噪聲譜如圖7所示．

圖7 0.5 MPa管道流體壓強下的空化噪聲譜

管道流體壓強0.5 MPa下,漩渦哨水力空化時產(chǎn)生的空化噪聲譜的頻率基本分布于小于5 kHz的低頻可聽聲頻率段,空化噪聲譜并不具有線狀噪聲譜的特點,僅出現(xiàn)了振幅差距較大的一系列噪聲峰,改變管道流體壓強進行實驗時得到的峰值頻率也是不同的．此時水力空化噪聲譜與圖2、圖4所示多孔板水力空化產(chǎn)生的空化噪聲譜類似．

4 結(jié)論

經(jīng)過理論分析計算與ANSYS數(shù)值模擬及實驗測量可以得出結(jié)論:打孔的直徑為3 mm打孔的數(shù)量為1個的多孔板在0.5 MPa多孔板管道進口處流體壓強下進行水力空化時測得的空化噪聲譜具有明顯的線狀譜特征．其他類型的多孔板沒有呈現(xiàn)明顯的線狀譜特點,說明能夠激發(fā)多孔板在水力空化時產(chǎn)生超聲范圍頻率噪聲的實驗條件是特定的,多孔板必須能夠高速振動才可能發(fā)出超聲．圖3所示的實驗測得頻率與表1所示的ANSYS數(shù)值模擬頻率具有很好的符合性．

多孔板空化與漩渦哨的空化噪聲譜有類似的特征,漩渦哨的水力空化原因是流體通過實驗管道時產(chǎn)生旋渦效應(yīng)從而產(chǎn)生了水力空化現(xiàn)象,漩渦哨的造型結(jié)構(gòu)及安裝方式?jīng)Q定了它不太可能振動．特定的多孔板在特定的條件下才會高速振動,因為實驗所用的多孔板的厚度為4 mm,這一厚度在周界固定的條件下是很難高速振動的,發(fā)射超聲波便變得特別困難,使多孔板的厚度變薄有利于其高速振動;多孔板產(chǎn)生水力空化的原因與簧片哨不盡相同,簧片哨在高流速流體的沖擊下引起主要核心部件簧片的振動從而產(chǎn)生水力空化;多孔板水力空化的原因與超聲換能器超聲空化的原因也有顯著的區(qū)別,超聲換能器的核心部件壓電陶瓷的高速振動是引起流體內(nèi)產(chǎn)生超聲空化的根本原因,從這一方面來分析研究壓電超聲換能器的空化類似簧片哨的空化,特定多孔板只有在非常特殊條件下才可以發(fā)射超聲波,此時多孔板是被高速流體策動振動的與簧片哨及壓電超聲換能器的高速振動產(chǎn)生空化類似,但由于多孔板的構(gòu)造特點其水力空化的噪聲譜并不能呈現(xiàn)明顯的諧振動特征．

本文對多孔板振動頻率進行理論分析計算與ANSYS數(shù)值模擬,并對四種空化方式產(chǎn)生的空化噪聲譜進行分析比較研究,得出了較好的結(jié)論,但不同條件下的空化噪聲譜也是不同的,要詳細研究各類空化噪聲譜,還需要進行大量的理論與實驗研究,以便找出空化噪聲譜的規(guī)律性,為有效利用或避免空化提供理論實驗依據(jù)．

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The Research on the Noise Spectrum of Cavitation

FENG Zhongying1,2, WU Shengju2

(1.Department of Science, Taiyuan Institute of Technology, Taiyuan 030008;2.Institute of Applied Acoustics, Shaanxi Normal University, Xi′an 710062, China)

The cavitation is one kind of special hydrodynamic force phenomenon. To study noise spectrum of different cavitation method, the theory computation was performed and the simulation of vibration by ANSYS of the perforation plate was also performed to learn the relationship of frequency of vibration and the noise spectrum of cavitation. The cavitation spectrum produced by three hydrodynamic cavitation ways and one ultrasonic cavitation way which were the perforation plate, the piezoelectricity ultrasonic transducer, the resonant wedge whistle and the eddy current whistles was comparatively analyzed initially. The result was that under the special condition, the spectrum of the noise obtained shows the evident line spectrum characteristic and has ingredient of ultrasonic like spectrum produced by the piezoelectricity ultrasonic transducer and the resonant wedge whistle. In other situation, the noise spectrum produced by perforation plate has no line spectrum distribution like that produced by the eddy current whistles.

cavitation; porous plate; piezoelectricity ultrasonic transducer; resonant wedge whistle; eddy current whistles; noise spectrum

2016-04-16

國家自然科學基金資助項目(10474061，10074042).

馮中營(1981-),男，山東臨沂人，碩士，太原工業(yè)學院理學系講師，主要從事聲學研究.

1672-2027(2016)02-0008-04

O426

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