碟形超聲變幅桿的設(shè)計(jì)

李阿杰 徐 兵 李喜峰 張建華

(上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院 上海 200072)

0 引言

聲波在液體介質(zhì)中傳播時(shí)，產(chǎn)生壓力振蕩，造成局部水域壓力失衡，產(chǎn)生數(shù)以萬(wàn)計(jì)的空化泡；空化泡在聲波的壓力振蕩下不斷收縮與膨脹，當(dāng)聲壓高于某一幅值時(shí)，空化泡崩潰并伴隨著瞬時(shí)的高溫高壓，加速水域中質(zhì)量和熱量的傳遞，能顯著促進(jìn)聲化學(xué)反應(yīng)[1?2]。因此提高空化泡的產(chǎn)生數(shù)量及水域空化區(qū)域?qū)Τ曉趯?shí)際中的應(yīng)用具有重要的研究意義[3?6]。

提高聲化學(xué)反應(yīng)速率，主要從優(yōu)化反應(yīng)容器模型[7?8]、水域高度[9]、換能器的頻率、功率[10]、驅(qū)動(dòng)信號(hào)[11]、聲源方向[1?2]及變幅桿的形狀[12?14]等方面進(jìn)行研究。研究表明，相應(yīng)改進(jìn)反應(yīng)容器形狀和水域高度可以提高水域聲場(chǎng)強(qiáng)度和空化密度，同時(shí)改變換能器排布方式、數(shù)量及振動(dòng)頻率也能改善聲場(chǎng)分布。其中，Peshkovsky 等[12]研究了用于提高空化場(chǎng)的超聲變幅桿的理論設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，基于理論提出了不同類(lèi)型的啞鈴式變幅桿，但未能進(jìn)一步地研究水域聲場(chǎng)的分布情況和實(shí)際的空化效果；Wei等[13]提出了多級(jí)變幅桿改善聲場(chǎng)，模擬并通過(guò)魯米諾發(fā)光驗(yàn)證了水域聲場(chǎng)分布較傳統(tǒng)變幅桿得到明顯提高，而發(fā)光區(qū)域主要集中在變幅桿附近，相對(duì)較小，仍有很大的優(yōu)化空間；Sasaki 等[14]研究了變幅桿端部凹槽的形狀對(duì)超聲空化的影響，發(fā)現(xiàn)適度增加凹槽直徑可以明顯提高空化泡崩潰產(chǎn)生的作用力，因此改變變幅桿模型結(jié)構(gòu)是一種提高超聲空化作用行之有效的方法。

為進(jìn)一步提高水域空化區(qū)域，在傳統(tǒng)變幅桿的基礎(chǔ)上，通過(guò)COMSOL 多物理場(chǎng)對(duì)變幅桿進(jìn)行聲學(xué)仿真，提出具有碟形結(jié)構(gòu)的超聲變幅桿；改進(jìn)后的碟形變幅桿，其振動(dòng)幅度和水域的接觸面積得到提高，聲場(chǎng)分布均勻；通過(guò)鋁箔空化腐蝕及KI 劑量測(cè)定實(shí)驗(yàn)，并與傳統(tǒng)變幅桿對(duì)比研究，優(yōu)化后的變幅桿在空化速率和空化區(qū)域有了明顯提升。

1 變幅桿的理論設(shè)計(jì)及優(yōu)化

1.1 變幅桿的理論分析

變幅桿受到縱向振動(dòng)時(shí)，彈性介質(zhì)也隨之振動(dòng)，在恢復(fù)力的作用下做縱向振動(dòng)。宏觀上，任何體積元之間由許多彼此緊密相連的質(zhì)點(diǎn)組成，當(dāng)體積元中的介質(zhì)受到外界擾動(dòng)時(shí)，便開(kāi)始偏離平衡位置做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。各體積元之間存在彈性聯(lián)系，因此任何體積元的振動(dòng)都會(huì)引起周?chē)|(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，根據(jù)牛頓定律得出如下動(dòng)力學(xué)方程[15?16]：

其中，S=S(x)為桿件的橫截面積函數(shù)，σ=σ(x)=為應(yīng)力函數(shù)，E為楊氏模量，ξ=ξ(x)為質(zhì)點(diǎn)位移函數(shù)，ρ為變幅桿材料密度，t為時(shí)間。

在簡(jiǎn)諧振動(dòng)的情況下，式(1)可寫(xiě)為

式(2)為變截面桿縱向振動(dòng)的波動(dòng)方程，其中k2=ω2/c2，k為圓波數(shù)，ω為圓頻率，為聲波在變截面桿中的傳播速度。

對(duì)于粗細(xì)均勻桿，如圖1 所示，其橫截面積始終保持不變，因此= 0，所以式(2)又可以簡(jiǎn)化成如下公式：

那么式(3)的解為

式(4)中質(zhì)點(diǎn)位移ξ和常量系數(shù)A、B可以由以下邊界條件得到：(1)設(shè)定變幅桿兩端的受力為0；(2)體積元之間的力大小相同方向相反；(3)節(jié)點(diǎn)連接處的質(zhì)點(diǎn)位移相同[12,16]。

圖1 傳統(tǒng)變幅桿結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the traditional horn structure

1.2 變幅桿聲學(xué)仿真的理論分析

超聲系統(tǒng)一般由發(fā)生器、換能器和變幅桿組成，當(dāng)發(fā)生器向壓電晶堆施加電壓載荷時(shí)，由于逆壓電效應(yīng)，壓電片將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，并經(jīng)過(guò)變幅桿放大振幅和振動(dòng)速度，通過(guò)介質(zhì)傳遞聲波，因此需要COMSOL 多物理場(chǎng)三個(gè)不同的模塊耦合這三個(gè)過(guò)程，即換能器壓電模塊、變幅桿線性彈性模塊和水域壓力聲場(chǎng)模塊[17]。

由于逆壓電效應(yīng)，當(dāng)向換能器壓電晶堆施加電場(chǎng)時(shí)，壓電陶瓷發(fā)生機(jī)械形變，因此壓電模塊可以由以下公式表示[7]：

其中，T為應(yīng)力矢量，S為應(yīng)變矢量，E為電場(chǎng)強(qiáng)度，D為電流遷移密度，ce為彈性系數(shù)，et為轉(zhuǎn)置介電常數(shù)，e為介電常數(shù)，εs為介電常數(shù)，sE為恒定電壓場(chǎng)彈性柔度，dt為轉(zhuǎn)置壓電應(yīng)變常數(shù)，d為壓電應(yīng)變常數(shù)，εT為恒定的機(jī)械應(yīng)力下的介電常數(shù)。

換能器振動(dòng)傳遞機(jī)械能到變幅桿，假設(shè)壓電片和不銹鋼變幅桿二者均由均質(zhì)、各向同性的彈性材料構(gòu)成的，它們的彈性特性根據(jù)牛頓第二定律可由以下方程表征[18]：

其中，ρm為材料密度(kg/m3)，ω為角頻率(rad/s)，u為結(jié)構(gòu)位移(m)，F(xiàn)V為作用力(N/m3)，ei?為交流電。聲壓模塊用于模擬聲波在水中的傳播情況，聲波方程如下[7,18]：

其中，ρ為水的密度(kg/m3)，c為聲波在水中的傳播速度(m/s)，P=Pacos(ωt)為聲壓，Pa為最大聲壓，t為時(shí)間，q和Q分別為偶極源和單極源，設(shè)置縱波無(wú)偏振(q=Q=0)。

通過(guò)COMSOL 多物理場(chǎng)設(shè)置邊界條件和初始值耦合以上三個(gè)模塊，基于Wei 等[13]的研究，設(shè)置變幅桿和水接觸面為硬聲場(chǎng)邊界，并對(duì)變幅桿和周?chē)芤航佑|表面進(jìn)行耦合。

其中，n為法向矢量，ρs為變幅桿的材料密度(kg/m3)，an為水溶液的法向加速度(m/s2)，周?chē)芤簩?duì)變幅桿施加的應(yīng)力受水中聲壓的制約，即

設(shè)置水域和容器側(cè)壁界面位移為0 (u=0 或者P=0)，容器有較大的聲阻抗，聲反射強(qiáng)，水域與空氣域的界面同樣設(shè)置P=0，設(shè)置換能器和變幅桿結(jié)合面具有相同的位移值。

將圖1 所示變幅桿垂直固定在自制固定架上，變幅桿置于圓形反應(yīng)容器正中央，容器材質(zhì)為有機(jī)玻璃，容器半徑R為240 mm，壁厚5 mm，h為變幅桿浸水深度，水域高度為D，容器內(nèi)有凈化水，如圖2 所示。為了更大范圍地觀察模擬聲場(chǎng)分布情況，取變幅桿浸水深度為85 mm，水域高度為210 mm，如圖2 所示。通過(guò)SolidWorks建模并導(dǎo)入COMSOL 多物理場(chǎng)仿真軟件中，給換能器施加峰值電壓350 V，設(shè)置掃描頻率為19 kHz～21 kHz，步長(zhǎng)50 Hz。將該聲化學(xué)反應(yīng)裝置所示的水域和空氣界面設(shè)置為軟聲場(chǎng)邊界，水域與玻璃容器的界面設(shè)置為硬聲場(chǎng)邊界，并在變幅桿的位移節(jié)點(diǎn)處設(shè)置固定約束，采用自由四面體網(wǎng)格劃分后，求解得到共振頻率為20 kHz下的水域聲場(chǎng)分布圖，如圖3所示。

圖2 聲化學(xué)反應(yīng)裝置Fig.2 Experimental setup of sonochemical reaction

圖3 傳統(tǒng)變幅桿聲場(chǎng)分布示意圖Fig.3 Schematic diagram of the sound field distribution of a traditional horn

通過(guò)聲場(chǎng)分布示意圖可知，聲場(chǎng)以變幅桿軸線中心對(duì)稱(chēng)，其中沿著軸線方向的水域聲壓值相對(duì)于其他水域較大，位于變幅桿的端部位置聲壓相對(duì)周?chē)晧鹤畲?，而最?fù)相聲壓最大值在變幅桿端部35 mm 附近位置，且聲壓的大小隨著距離變幅桿端面的增加逐漸降低。正負(fù)相位聲壓較大位置主要集中在變幅桿端部正下方，而在變幅桿軸線以外的水域，聲壓值有較大幅度降低，且聲場(chǎng)的分布不均勻，主要由于水域中變幅桿端部振幅最大，聲壓值偏高，氣泡從產(chǎn)生到聚集形成氣泡云，大量聚集在聲波輻射端面，阻礙聲波傳遞，造成水域中輻射聲壓的衰減，空化區(qū)域受限，聲化學(xué)反應(yīng)不充分，聲化學(xué)效率或超聲處理效果大幅下降[19]。

1.3 碟形變幅桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及聲場(chǎng)特性

1.3.1 碟形變幅桿設(shè)計(jì)可行性分析

圖4 碟形變幅桿結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the dish-shaped horn structure

圖5 碟形變幅桿的振動(dòng)模態(tài)Fig.5 Vibration mode of the dish-shaped horn

基于傳統(tǒng)類(lèi)型變幅桿，對(duì)變幅桿做如下優(yōu)化。如圖4 所示，將傳統(tǒng)變幅桿設(shè)計(jì)為復(fù)合桿[16](等截面桿和變截面桿復(fù)合)，變幅桿所對(duì)應(yīng)的波腹位置，添加碟形結(jié)構(gòu)。模擬結(jié)果如圖5(a)所示，兩處碟形結(jié)構(gòu)之間的錐形桿，提高了放大倍數(shù)，因此該類(lèi)型變幅桿在共振時(shí)有更大的振動(dòng)幅度，其中在碟形結(jié)構(gòu)邊緣處振動(dòng)幅度最大。碟形變幅桿在1/2個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)，碟形結(jié)構(gòu)在做上下的往復(fù)振動(dòng)，且上下碟形結(jié)構(gòu)振動(dòng)方向相反，如圖5(b)所示。碟形變幅桿在換能器的驅(qū)動(dòng)下，在水域中沿著軸向上下大幅擺動(dòng)，相比傳統(tǒng)變幅桿，碟形變幅桿和水域有更大的接觸面積和振動(dòng)幅度。碟狀結(jié)構(gòu)在水域中上下擺動(dòng)時(shí)，能產(chǎn)生較大的壓力差，形成更多的聲化泡，并在負(fù)相區(qū)內(nèi)形成、生長(zhǎng)，在正相區(qū)內(nèi)閉合、崩潰，引起更多的壓力沖擊和空化射流。

1.3.2 碟形變幅桿設(shè)計(jì)

以傳統(tǒng)變幅桿為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，在變幅桿波腹位置處，設(shè)置兩處碟形結(jié)構(gòu)，碟形結(jié)構(gòu)尺寸一致，大小相同，如圖6 所示。為了與換能器匹配實(shí)現(xiàn)共振，變幅桿的總長(zhǎng)需要滿(mǎn)足1/2 波長(zhǎng)的整數(shù)倍。碟形結(jié)構(gòu)的兩側(cè)邊左右對(duì)稱(chēng)，取底邊水平且長(zhǎng)度不變恒為15 mm，過(guò)渡圓弧和碟形結(jié)構(gòu)的兩側(cè)邊相切，過(guò)渡圓弧對(duì)應(yīng)直徑大小恒為7 mm。若聲波在平面?zhèn)鞑ゾ鶆?，變幅桿的直徑不超過(guò)1/4 波長(zhǎng)[13]，取變幅桿兩端直徑分別為50 mm 和40 mm。為了使變幅桿能與水域有更大的接觸面積，提高聲化學(xué)反應(yīng)區(qū)域，同時(shí)考慮到變幅桿復(fù)雜結(jié)構(gòu)對(duì)頻率的影響較大，因此分別研究不同高度時(shí)，碟形變幅桿的聲場(chǎng)分布情況?？紤]到碟形變幅桿的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，理論計(jì)算繁瑣，因此通過(guò)SolidWorks 三維建模，并導(dǎo)入到COMSOL 多物理場(chǎng)分析軟件中，進(jìn)行諧振頻率分析，設(shè)置掃描頻率范圍為19 kHz～21 kHz，提取20 階振動(dòng)模態(tài)，通過(guò)分析振型和對(duì)應(yīng)頻率，不斷對(duì)變幅桿進(jìn)行尺寸優(yōu)化，得到高度H分別為13 mm、14 mm、15 mm和16 mm時(shí)，換能器和變幅桿結(jié)合后的諧振頻率分別為20.02 kHz、20.07 kHz、20.04 kHz和20.05 kHz。

圖6 碟形變幅桿結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of the dish-shaped horn

1.3.3 碟形變幅桿的聲場(chǎng)分析

通過(guò)COMSOL 多物理場(chǎng)分析碟形變幅桿在水域中超聲波的輻射強(qiáng)度及空化區(qū)域，可以直觀地觀察整個(gè)水域的聲場(chǎng)分布情況，為變幅桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、反應(yīng)容器的模型構(gòu)建提供有效參考。碟形變幅桿在水域中聲場(chǎng)模擬的邊界條件：(1)壓電效應(yīng)傳遞機(jī)械振動(dòng)到變幅桿端部時(shí)無(wú)能量損耗；(2)水域中聲壓分布對(duì)稱(chēng)，聲波在水域中無(wú)阻尼，無(wú)反射；(3)水域中無(wú)空化泡產(chǎn)生；(4)變幅桿的機(jī)械振動(dòng)或者超聲波的壓力振蕩不會(huì)造成容器中水的運(yùn)動(dòng)。

設(shè)置碟形變幅桿入水深度為85 mm，水域高度不變，并給換能器施加相同的激勵(lì)電壓，掃描頻率為20 kHz，由于水域聲壓的對(duì)稱(chēng)性，圖7分別為變幅桿參數(shù)H為13 mm、14 mm、15 mm 和16 mm 的1/2聲場(chǎng)分布圖。

圖7 碟形變幅桿在水域中的聲場(chǎng)分布Fig.7 Sound field distribution of the dish-shaped horn in water

如圖7 所示，聲場(chǎng)在變幅桿左右兩側(cè)對(duì)稱(chēng)分布，顏色標(biāo)尺中藍(lán)色到紅色的深淺變化代表著聲壓的梯度變化。由圖7 可知，最大聲壓主要集中分布在碟形結(jié)構(gòu)附近，表明變幅桿的最大振幅主要分布在碟形結(jié)構(gòu)處；在變幅桿端部以下120 mm 和容器底部水域中聲壓呈現(xiàn)條形分布[4]，整個(gè)水域聲壓分布相對(duì)傳統(tǒng)變幅桿較為均勻，距離變幅桿較遠(yuǎn)的水域聲壓，未出現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)或下降趨勢(shì)較少。

1.3.4 不同水域位置碟形變幅桿的聲場(chǎng)分布曲線

圖7(b)的最大聲壓值相對(duì)另外三個(gè)要大，而水域中的聲壓大小通過(guò)聲場(chǎng)分布圖難以比較，因此以變幅桿為軸心分別向外取半徑分別為50 mm 和75 mm 的圓柱面，由于聲場(chǎng)分布具有對(duì)稱(chēng)性，取任意一條圓柱面的母線，觀察母線所對(duì)應(yīng)的聲壓值分布情況，選取母線為x軸線，水域上表面為軸線起點(diǎn)，得到聲壓曲線如圖8和圖9 所示。從圖中可以看出，當(dāng)?shù)谓Y(jié)構(gòu)的高度H值不同時(shí)，聲壓分布情況不同，但整體聲壓曲線的波動(dòng)趨勢(shì)基本相同，均隨著水域深度的增加，聲壓呈波形分布；其中當(dāng)半徑為50 mm、H為14 mm 時(shí)，隨著水域深度增加，聲壓波形曲線幅值有下降趨勢(shì)，而另外三種情況較為穩(wěn)定，主要與波的反射和衰減及變幅桿的結(jié)構(gòu)相關(guān)。圖9顯示，半徑為75 mm 時(shí)，H為14 mm 的聲壓值也優(yōu)于其他結(jié)構(gòu)，且隨著水域深度的增加，波形穩(wěn)定。此外，隨著半徑的增加，聲壓逐漸降低，進(jìn)一步證實(shí)聲波衰減程度與振動(dòng)源的距離有關(guān)。聲學(xué)模擬分析結(jié)果表明H為14 mm 時(shí)模型最優(yōu)。

圖8 半徑為50 mm 的圓柱面聲壓曲線Fig.8 Cylindrical sound pressure curve with a radius of 50 mm

圖9 半徑為75 mm 的圓柱面聲壓曲線Fig.9 Cylindrical sound pressure curve with a radius of 75 mm

2 變幅桿超聲空化及聲化學(xué)反應(yīng)對(duì)比

2.1 變幅桿的水域空化分布

根據(jù)聲學(xué)模擬優(yōu)化結(jié)果，對(duì)優(yōu)化的結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，并與換能器(蘇州嘉輝超聲波科技有限公司JH-5520)實(shí)際裝配，采用型號(hào)為6500-B 的CV 特性分析儀對(duì)換能器和變幅桿的裝配體進(jìn)行固有頻率特性分析，其中換能器和傳統(tǒng)變幅桿結(jié)合頻率為20.06 kHz 與碟形變幅桿結(jié)合后的頻率為20.02 kHz，在誤差允許的范圍內(nèi)，認(rèn)為該頻率符合要求。采用型號(hào)為JHSH2000 的超聲波發(fā)生器驅(qū)動(dòng)兩種結(jié)合類(lèi)型的換能器，均施加相同瞬態(tài)峰值電壓350 V 和功率320 W。變幅桿的軸心位于水容器正中央，入水深度為85 mm，水深210 mm；水容器總體高度為300 mm，容器底端厚度10 mm。驅(qū)動(dòng)換能器，壓電晶堆將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，帶動(dòng)變幅桿做縱向振動(dòng)，并通過(guò)變幅桿在水域中傳遞聲波。圖10 為兩種變幅桿在水域中的空化情況。

圖10 傳統(tǒng)和碟形變幅桿瞬時(shí)空化情況Fig.10 Instantaneous cavitation of conventional and dish-shaped horns

如圖10(a)所示，對(duì)于傳統(tǒng)變幅桿，空泡主要受輻射聲波的軸向效應(yīng)集中在端面，呈錐形結(jié)構(gòu)[20]；輻射端面聚集了高密度空化泡，氣泡之間的結(jié)合產(chǎn)生大氣泡，并游離在變幅桿的表面，在浮力的作用下不斷向水域自由液面漂浮，受錐形氣泡群的影響，聲波傳播受阻，輻射聲壓衰減，因此整個(gè)水域空化泡分布較少。對(duì)于碟形變幅桿，碟形結(jié)構(gòu)表面分布著大量空化泡，在輻射端面以外，也同樣分布著大量的空化泡，呈絮狀或細(xì)絲狀；輻射端面與水域接觸面積較大，波的傳播方向不局限于軸向傳播，從圖10(b)氣泡的分布可知，聲波在水域中呈球面波傳播[21]，在聲波的傳播方向上分布著大氣泡和細(xì)微氣泡。隨著距離輻射端面較遠(yuǎn)的水域、氣泡云的分布密度逐漸變低，主要由于聲能衰減，遠(yuǎn)端氣泡云在作用力下處于動(dòng)平衡狀態(tài)[22]。相比傳統(tǒng)變幅桿，碟形變幅桿有更大的聲波輻射源，聲波在水域中傳播的區(qū)域廣，促進(jìn)了大量空化泡的產(chǎn)生，這說(shuō)明碟形結(jié)構(gòu)能夠顯著提升空化現(xiàn)象，有利于聲化學(xué)處理。

2.2 變幅桿鋁箔空化腐蝕及碘離子氧化對(duì)比研究

盡管圖10已直觀地給出空化泡的分布情況，但對(duì)于實(shí)際空化效果無(wú)法直接得出。利用空化作用對(duì)鋁箔進(jìn)行空化腐蝕，同時(shí)空化泡崩潰時(shí)產(chǎn)生氧化性自由基例如·OH、·OOH和·O，可以將I?氧化成I?3，通過(guò)紫外分光光度計(jì)測(cè)量I?3吸光度，可計(jì)算I?3濃度，有助于進(jìn)一步理解二者在水域中的聲場(chǎng)分布和聲化學(xué)反應(yīng)。

圖11為兩種類(lèi)型變幅桿在不同時(shí)間段，對(duì)水域中鋁箔的空化腐蝕情況。碟形變幅桿所在水域30 s時(shí)，鋁箔已經(jīng)出現(xiàn)斑點(diǎn)和凹坑，其中靠近碟形結(jié)構(gòu)處的現(xiàn)象明顯；120 s時(shí)鋁箔空化腐蝕形狀和模擬聲場(chǎng)相似，但在兩處碟形結(jié)構(gòu)之間，也出現(xiàn)了更大幅度的擊穿和模擬有所不同，主要是由于兩處碟形結(jié)構(gòu)在向內(nèi)側(cè)振動(dòng)時(shí)，如圖5所示，聲波在碟形結(jié)構(gòu)之間出現(xiàn)疊加，空化泡受Bjerknes 力[23]聚集在聲波重疊區(qū)域，大量的空化泡破裂產(chǎn)生了瞬時(shí)的高溫高壓，因此鋁箔腐蝕程度更嚴(yán)重；300 s 時(shí)鋁箔的空化擊穿形狀呈球形，和圖10(b)空化泡的分布相對(duì)應(yīng)；在240 s鋁箔擊穿形狀基本成形，在240 s～300 s 期間，空化速率逐漸降低，主要是由于距離振動(dòng)源較遠(yuǎn)的水域，超聲能量衰減，產(chǎn)生空化泡的數(shù)量少。在輻射端面水域120 mm 以下鋁箔只出現(xiàn)了輕微腐蝕斑點(diǎn)，而在圖11中未能清晰體現(xiàn)，主要是由于聲波反射及聲波干涉相消，使得該處聲壓值衰減，空化泡數(shù)量較少，因此腐蝕程度相比輻射端面附近較小。

傳統(tǒng)變幅桿所在水域，30 s 時(shí)鋁箔也出現(xiàn)了空化腐蝕點(diǎn)，但數(shù)量較少且不明顯，60 s～120 s 期間，鋁箔兩處出現(xiàn)了明顯的擊穿位置，即如圖3 所示的模擬聲場(chǎng)，但其中一處并不是位于變幅桿的正下方，而是位于靠近變幅桿表面的鋁箔上，與模擬結(jié)果相違背，主要是由于在水域中放置鋁箔時(shí)，鋁箔緊貼變幅桿的表面，而不是位于水域容器的正中央，因此鋁箔主要被游離在變幅桿表面的空化泡爆破所損傷；300 s 時(shí)鋁箔的腐蝕面積呈球形形狀，在180 s～300 s 期間未出現(xiàn)腐蝕速率明顯下降的趨勢(shì)，說(shuō)明在相同的時(shí)間內(nèi)，傳統(tǒng)變幅桿的空化強(qiáng)度低于碟形變幅桿。

圖11 傳統(tǒng)和碟形變幅桿不同時(shí)間鋁箔腐蝕情況Fig.11 Corrosion of aluminum foil in different time between conventional and dishshaped horns

圖12 傳統(tǒng)和碟形變幅桿不同時(shí)間碘離子氧化情況Fig.12 Iodine ion oxidation at different times for conventional and dish-shaped horns

通過(guò)對(duì)比兩種類(lèi)型的超聲變幅桿在水域?qū)︿X箔的空化腐蝕及聲化學(xué)反應(yīng)情況，發(fā)現(xiàn)碟形變幅桿的空化能力明顯優(yōu)于傳統(tǒng)變幅桿，鋁箔空化腐蝕的區(qū)域相對(duì)較大，聲化學(xué)反應(yīng)速率增強(qiáng)。其中180 s時(shí)碟形變幅桿對(duì)鋁箔的擊穿區(qū)域和傳統(tǒng)變幅桿在300 s時(shí)相似，腐蝕速率約是傳統(tǒng)型的1.6倍；超聲輻射60 min，碟形變幅桿作用下的I?3濃度較傳統(tǒng)變幅桿提高了32%，促進(jìn)了聲化學(xué)反應(yīng)速率。

2.3 變幅桿對(duì)實(shí)際工件表面聚焦清洗對(duì)比

通過(guò)鋁箔腐蝕和碘化鉀氧化實(shí)驗(yàn)可以看出優(yōu)化后的碟形變幅桿在空化強(qiáng)度和聲化學(xué)效率上明顯優(yōu)于傳統(tǒng)變幅桿。為了進(jìn)一步研究碟形變幅桿在實(shí)際生產(chǎn)生活中的應(yīng)用情況，選取帶有油漬的加工件，如圖13(a)和圖13(b)所示，分別采用優(yōu)化前后的變幅桿進(jìn)行聚焦超聲清洗試驗(yàn)，對(duì)比清洗效果。取3 L 去離子水于相同的燒杯容器中，將涂抹機(jī)油的兩個(gè)工件分別放置在兩個(gè)燒杯底部中央，涂有機(jī)油的一面朝向變幅桿端面，將碟形變幅桿和傳統(tǒng)變幅桿分別浸入去離子水溶液中，均采用相同的浸沒(méi)深度85 mm 和功率320 W，并控制相同的起始水域溫度(22±0.2)?C。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超聲2 min 后，碟形變幅桿輻射的工件端面，幾乎無(wú)機(jī)油殘留，如圖13(c)所示；而傳統(tǒng)變幅桿對(duì)應(yīng)的工件端面依然可以清晰觀察出仍有少量機(jī)油附著，如圖13(d)所示；超聲5 min 后，碟形變幅桿輻射的工件端面，無(wú)機(jī)油殘留，潔凈度提高，如圖13(e)所示；傳統(tǒng)變幅桿輻射的工件端面幾乎無(wú)機(jī)油附著，如圖13(f)所示，但在階梯面接壤處有少量機(jī)油殘余，如圖14所示。

通過(guò)以上聚焦清洗結(jié)果對(duì)比分析，優(yōu)化后的碟形變幅桿能使得粘附在工件表面機(jī)油加速乳化和脫離，顯著提升工件表面的去油污能力。

圖13 不同時(shí)間段工件端面機(jī)油殘余情況Fig.13 Engine oil residual of workpiece end faces at different time periods

圖14 階梯面接壤處機(jī)油殘余情況Fig.14 Engine oil residual at the step face interface

3 結(jié)論

通過(guò)COMSOL 多物理場(chǎng)對(duì)傳統(tǒng)變幅桿進(jìn)行聲場(chǎng)分析，得出該類(lèi)型變幅桿在水域中具有不均勻的聲壓分布特征，提出了一種新穎的具有碟形結(jié)構(gòu)的變幅桿，能夠有效地提高變幅桿的振動(dòng)幅度，增加水域的接觸面積，在實(shí)際的鋁箔腐蝕實(shí)驗(yàn)中，碟形變幅桿在空化區(qū)域和腐蝕速率上有明顯的優(yōu)越性。

(1)碟形變幅桿相對(duì)于傳統(tǒng)變幅桿，在相同的水域條件下，能夠降低氣泡云的集中聚合，減少聲波衰減，促進(jìn)聲波傳遞，提高空化區(qū)域和空化泡的產(chǎn)生數(shù)量。

(2)碟形變幅桿和水域有更大的接觸面積，輻射端面較傳統(tǒng)變幅桿大，聲波的傳遞不僅僅局限于軸向傳遞，從水域空化泡的分布形狀和鋁箔腐蝕情況得知，聲波呈球狀傳播，增加了聲波輻射面積。

(3)在相同的時(shí)間內(nèi)，碟形變幅桿對(duì)鋁箔的空化腐蝕、碘離子氧化及工件表面的清潔程度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)變幅桿，提高了空化強(qiáng)度和聲化學(xué)反應(yīng)速率；其中，空化腐蝕速率是傳統(tǒng)變幅桿的1.6倍，產(chǎn)生濃度較傳統(tǒng)變幅桿提高了32%。