超聲清洗裝置空化噪聲譜分析法空化噪聲級測量

吳博悅 陳 毅 李建成

(杭州應用聲學研究所 杭州 310023)

0 引言

超聲清洗機誕生于20 世紀50年代初的日本，歷經(jīng)數(shù)十年，現(xiàn)已發(fā)展應用到各個領域，成為其中重要的組成部分[1]。超聲清洗的優(yōu)點很多，如速度快、質(zhì)量高，易于實現(xiàn)自動化等。它可以降低污物造成的傷害，減少污物與工作人員的接觸；尤其是對于精密工件上的凹槽、狹縫、微孔及暗洞等傳統(tǒng)的洗刷方法難以有效清洗的部位，超聲清洗則有非常理想的效果[2]。

超聲清洗過程中，其關鍵在于空化效應，但不能忽視空化腐蝕。因此，對超聲清洗槽內(nèi)空化強度進行準確、定量的測量就顯得非常重要。對于空化強度的測量，研究人員多年來已利用空化的各種特點與性質(zhì)，應用了如鋁箔侵蝕法、碘滴定法、空化噪聲譜分析法、聲致發(fā)光法以及圖像處理法等多種方法進行實驗測量與研究[3?6]?？栈肼暿怯捎谠诎l(fā)生空化時，空化泡的線性與非線性脈動，空化泡的形成與破滅，以及空化泡之間的相互作用等因素而產(chǎn)生的，始終伴隨著空化過程。測量空化噪聲，可以得到其中關于空化過程中大量的信息，具有獨特的優(yōu)勢。

其中，對于空化噪聲，各國研究人員開展了一系列的研究。1956年，Holak[7]在ORL 消聲箱和物理實驗室水槽中，用Massa 115A 和一個Allen Spencer 探針水聽器進行了空化噪聲測量。他分析了90 kHz～2 MHz頻率范圍內(nèi)的空化噪聲；觀察到除了寬帶噪聲外的驅(qū)動頻率的諧波和次諧波成分；給出了與實驗結(jié)果相吻合的空化氣泡增長和衰減的表達式；計算得驅(qū)動頻率及其諧波處出現(xiàn)的能量比寬帶頻譜中的能量更多。2000年，F(xiàn)rohly 等[8]研究了超聲空化中空化噪聲和空化強度的關系，在不同的超聲功率下分別用空化噪聲諧波及高次諧波的功率譜和連續(xù)譜的功率譜來表示空化強度。2005年，Sobotta 等[9]對超聲清洗設備的空化噪聲進行了測量，分析了空化噪聲譜，研究了驅(qū)動超聲頻率f0處的聲壓在不同換能器表面聲強時的變化情況。2014年，Hertz-Eichenrode等[10]測量了空化噪聲信號頻譜的“顏色”，確定了各諧波頻段的噪聲級與聲強對數(shù)之間的線性度；并且通過空化噪聲的測量，測量了瞬態(tài)空化閾值。2017年，K?chel 等[11]研究了對空化噪聲譜的數(shù)字信號處理方法。2019年，文獻[12]制定了用空化噪聲級LCN和提取空化噪聲譜分量獲得空化噪聲各個部分的分量來表示超聲清洗槽中的空化強度。

本文利用空化噪聲譜分析法，進行了超聲清洗裝置和超聲清洗槽的空化噪聲測量實驗。實驗較好地驗證了利用空化噪聲級來判斷空化閾值和衡量空化強度的可行性；同時，研究了超聲清洗裝置和超聲清洗槽內(nèi)空化的分布情況，兩者具有較大的差異。

1 空化噪聲譜分析法

超聲清洗利用超聲引發(fā)空化效應，以此來達到清洗的目的。在發(fā)生瞬態(tài)空化時，氣泡坍塌潰滅，同時產(chǎn)生的射流和沖擊波作用于物體需要清潔的表面[13]。然而，空化的機械效應并不容易測量。因此，可以借助氣泡非線性脈動及潰滅產(chǎn)生的噪聲，定義空化噪聲級來評估空化強度。

將水聽器固定于運動控制裝置上，在運動裝置的帶動下，按曲折的路徑緩慢通過清洗槽，期間連續(xù)測量清洗槽中的聲信號。采集信號后，用窗函數(shù)對數(shù)據(jù)進行加權，并將加權數(shù)據(jù)分別做快速傅里葉變換(Fast Fourier transform, FFT)。接著，計算這些由FFT得到的空化噪聲譜的幅值均值的平方，相當于求了功率譜。取與空化相對應的諧波聲壓均值的平方，即。該值與參考聲壓pref的平方的比值取對數(shù)，得到空化噪聲級為[12]

如圖1(a)所示在超聲清洗設備中，低頻諧波0.25× f0(f0為超聲清洗換能器的諧振頻率)的噪聲級很低，與聲強的對數(shù)不成正比，而且空化閾值的位置也無法明顯看出。在這些頻率下，聲波的半波長也明顯大于清洗槽的尺寸。在頻帶為(2.25±0.1)×f0和(4.25±0.1)×f0時，空化閾值以上的噪聲級與聲強的對數(shù)成正比。在高頻段(8.25±0.1)×f0和(16.25±0.1)×f0中，噪聲級并不完全遵循函數(shù)1 和函數(shù)4(函數(shù)1 與函數(shù)4 分別為擬合的n/4 倍諧波曲線在瞬態(tài)空化前后的變化趨勢函數(shù))。同時，在(2.25±0.1)×f0的頻段內(nèi)干擾較少，故需選擇測量中心頻率fc= 2.25×f0處的噪聲聲壓作為計算瞬態(tài)空化噪聲級的聲壓。通過對超聲清洗換能器的實際測量(超聲換能器基頻f0為24 kHz)，得到n/4 倍諧波噪聲級情況與文獻[10]中相同(函數(shù)a與函數(shù)b同圖1(a)中的函數(shù)1與函數(shù)4)。

圖1 n/4 倍諧波噪聲級變化曲線Fig.1 The n/4 times harmonic noise level variation curve

IEC/TS 63001 標準中，采用單水聽器運動測量，計算得2.25 倍諧波的諧波噪聲級，并由此可得瞬態(tài)空化閾值，以其大于瞬態(tài)空化閾值的部分作為瞬態(tài)空化強度的衡量標準[12]。

Lauterforn 等[14]用n/2 倍諧波的出現(xiàn)作為判斷液體穩(wěn)態(tài)空化起始的標準，文中測得n/2 倍諧波的變化如圖2(a)所示。通過對超聲換能器的實際測量(超聲換能器基頻f0為24 kHz)，得到n/2 倍諧波噪聲級變化如圖2(b)所示。由于1/2倍諧波噪聲級變化曲線在發(fā)生穩(wěn)態(tài)空化后有長期下降階段，不利于對穩(wěn)態(tài)空化的表示，而在其他測量的n/2 諧波噪聲級中，2.5倍諧波噪聲級幅值最高，因此可選用2.5倍諧波噪聲級表示穩(wěn)態(tài)空化強度。

圖2 n/2 倍諧波變化曲線Fig.2 The n/2 times harmonic noise level variation curve

由于超聲清洗換能器實際測量時，于2.5 倍諧波出現(xiàn)時觀察到長時間存在脈動氣泡，對應穩(wěn)態(tài)空化；于2.25 倍諧波在函數(shù)a 與函數(shù)b 的焦點處觀察到氣泡云，對應瞬態(tài)空化，因此，設2.5 倍諧波噪聲級LCN-2.5為穩(wěn)態(tài)空化噪聲級，2.25倍諧波噪聲級LCN-2.25為瞬態(tài)空化噪聲級，以及表示穩(wěn)態(tài)空化強度與瞬態(tài)空化強度。通常取pref=1 μPa。

2 測量系統(tǒng)的建立

2.1 測量對象

超聲清洗換能器由杭州瑞利超聲科技有限公司生產(chǎn)，內(nèi)含有8 個超聲振子，其尺寸(D×H)為59 mm×80 mm，以2×4 的排列結(jié)構(gòu)封裝于矩形盒內(nèi)，如圖3(a)、圖3(b)所示，超聲振子橫向間隔85 mm，縱向間隔80 mm，均勻分布于封裝之內(nèi)。超聲清洗換能器諧振頻率為24 kHz，長35 cm，寬17.5 cm，高10 cm，最大輸出功率2000 W。該超聲清洗換能器可置于尺寸大于自身的水槽中，而后在水槽中加入足量的水進行超聲清洗。

超聲清洗槽底部焊有6 個超聲振子，其尺寸(D×H)為45 mm×45 mm，如圖3(c)、圖3(d)所示，中心超聲振子A 位于清洗槽中心位置，其余超聲振子位置于圖3(d)中標出。超聲清洗槽諧振頻率為41 kHz，長40 cm，寬30 cm，高25 cm。由于在水槽底部直接焊接超聲振子，因此可在清洗槽中直接加水進行超聲清洗。

圖3 超聲清洗換能器與超聲清洗槽Fig.3 Ultrasonic cleaning transducer and ultrasonic cleaning bath

2.2 測量系統(tǒng)的設計

根據(jù)上述原理，設計了空化噪聲級的測量實驗。由于超聲清洗換能器需置于大于自身尺寸的水槽中進行清洗，因此選擇了某實驗水槽作為超聲清洗水槽，其長113 cm、寬68 cm、深77 cm，上方有運動控制裝置，可以按需求，控制電機帶動水聽器在水槽中運動。實驗設置水深40 cm。在本文中，為說敘述方便，稱8 個振子的水槽為超聲清洗裝置，6 個振子的水槽為超聲清洗槽。實驗系統(tǒng)示意圖如圖4所示。

圖4 超聲清洗裝置實驗系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of ultrasonic cleaning device test system

超聲清洗槽長40 cm、寬30 cm、深25 cm，將其置于運動控制裝置運動范圍之內(nèi)，仍由控制電機帶動水聽器在水槽中運動。實驗設置水深20 cm。其測量系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 超聲清洗槽實驗系統(tǒng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of ultrasonic cleaning bath test system

測量系統(tǒng)中，發(fā)射端由信號源、功率放大器與超聲換能器、超聲清洗槽組成。其中功率放大器為HD-PA0830-6000 型，連續(xù)波輸出最大功率為2000 W，脈沖輸出最大功率為6000 W。信號源為KEYSIGHT 33600A型。

接收端由水聽器、采集卡與示波器組成。水聽器為RHS-5 水聽器，靈敏度約為?218 dB(參考靈敏度為1 V/μPa)。采集卡為National Instruments的PXI-6368。示波器為Keysight DSOX3014A 型，最大采樣率為5 GSa/s。

2.3 運動機構(gòu)

多維運動定位機構(gòu)包括兩套獨立的x、y、z、θ復合運動機構(gòu)及其配套控制器。每套運動定位機構(gòu)由縱向(y坐標)、橫向(x坐標)、升降(z坐標)三維直線和回轉(zhuǎn)(θ坐標)運動機構(gòu)組成。兩套運動機構(gòu)的x、z和θ機構(gòu)均能手動和電動控制。y運動機構(gòu)一套為全手動控制，一套為手動和電動控制。計算機通過串行接口，實現(xiàn)對多維運動定位機構(gòu)各個維度的掃描運動和定位控制。為方便說明測試平面、運動軌跡的確切位置，首先對超聲清洗裝置構(gòu)建三維直角坐標系，如圖6所示。

圖6 超聲清洗實驗裝置坐標Fig.6 Coordinate diagram of ultrasonic cleaning test device

坐標系每個單元對應實際長度為1 mm。根據(jù)運動裝置的原始設定坐標系的x、y和z軸，即：水槽的寬方向為x軸，總長68 cm，范圍為?340～340；水槽的長方向為y軸，總長113 cm，范圍為?565～565；豎直方向為z軸，換能器上方部分長30 cm，范圍為0～300，加上豎直方向其他部分，總長40 cm，范圍則為?100～300。

由運動裝置帶動水聽器，于距換能器12.5 cm處的xOy面，選擇y= 0，x=?50～50；y=?30，x=?50～50；y=?60，x=?50～50；x=?50，y=?60～0；x= 0，y=?60～0 和x= 50，y=?60～0 共6 條線段組成的田字作為測量水聽器的運動軌跡，如圖7 所示。水聽器的運動速度為5 mm/s。

圖7 水聽器運動軌跡示意圖Fig.7 Schematic diagram of motion track of hydrophone

對超聲清洗槽構(gòu)建三維直角坐標系，與超聲清洗裝置相似，坐標系每個單元對應實際長度為1 mm，以超聲清洗槽底面中心位置為原點，超聲清洗槽長方向為x軸，總長40 cm，范圍為?200～200；超聲清洗槽寬方向為y軸，總長30 cm，范圍為?150～150；豎直方向為z軸，水深20 cm，范圍為0～200。

3 測量實驗

3.1 超聲清洗裝置測量實驗

3.1.1 單點測量

由于運動測量相對耗時，故而先選用單點測量對水槽內(nèi)的空化閾值，以及觀察隨著輸入功率的增加，換能器工作特性的變化。

根據(jù)換能器測得的聲場分布所知，選擇換能器表面上方12.5 cm處xOy面的中心位置作為測量點。功率放大器的阻抗分為6 擋，通過調(diào)節(jié)信號源輸入電壓來調(diào)節(jié)輸入換能器的功率。

測量時，固定水聽器于選定位置，將功率放大器與換能器阻抗匹配測驗；由示波器監(jiān)視功率放大器輸出電壓、電流及電壓電流之間的相角，按5 mV或10 mV的步長從小到大增加換能器輸出電壓。數(shù)據(jù)處理流程圖和測量結(jié)果如圖8與圖9所示。

圖8 數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.8 Data processing flow chart

圖9 單點測量超聲清洗裝置基頻及諧波噪聲級曲線Fig.9 Single point measurement of fundamental frequency and harmonic noise level curve of ultrasonic cleaning device

圖9中，黑色曲線為基頻聲壓級，在242.4 W以前具有較好的線性度，之后不再增加，換能器開始進入非線性工作狀態(tài)。藍色曲線為2.5 倍諧波噪聲級，紅色曲線為2.25 倍諧波噪聲級。2.5 倍諧波從42.44 W左右開始大幅增長，根據(jù)前文所述理論，此時穩(wěn)態(tài)空化出現(xiàn)；至76.25 W左右之后趨于平穩(wěn)，呈緩慢增長狀態(tài)，穩(wěn)態(tài)空化接近飽和。2.25 倍諧波在50.97 W 出現(xiàn)開始大幅增長，轉(zhuǎn)折點在157.8 W 左右出現(xiàn)，其增長速率明顯下降，根據(jù)前文所述理論，此時瞬態(tài)空化出現(xiàn)。瞬態(tài)空化閾值對應的瞬態(tài)空化噪聲級約為37.81 dB。在換能器輸入電功率超過660 W 后，由于強瞬態(tài)空化與換能器嚴重非線性工作，測量值出現(xiàn)嚴重波動。

3.1.2 運動測量

由單點測量結(jié)果可知，應當特別關注40～70 W、120～200 W和350 W至最高輸出功率的輸入電功率段。由于設備原因，本次實驗超聲換能器輸入功率最高只能達到550 W。測得結(jié)果如圖10所示。

圖10 超聲清洗裝置運動測量諧波噪聲級曲線Fig.10 Harmonic noise level curve of motion measurement of ultrasonic cleaning device

圖10 中，藍色曲線為2.5 倍諧波噪聲級，紅色曲線為2.25 倍諧波噪聲級。2.5 倍諧波從67.26 W左右開始大幅增長，穩(wěn)態(tài)空化出現(xiàn)；至216.6 W 左右之后趨于平穩(wěn)，呈緩慢增長狀態(tài)。2.25 倍諧波在184.7 W 出現(xiàn)開始大幅增長，增長至342.1 W 出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點，其增長速率明顯下降，瞬態(tài)空化由此開始。與單點測量比較，2.5倍諧波出現(xiàn)對應的輸入電功率相差約20 W，而2.25倍諧波轉(zhuǎn)折點(瞬態(tài)空化閾值)對應的輸入電功率則相差更多，近200 W。

為進一步了解偏差的來源，取運動測量的運動路徑中x方向和y方向的一段做空化分布分析。以水聽器1 s運動的小段位移為微元，求不同輸入電功率下各微元的諧波噪聲級，結(jié)果如圖11所示。

圖11橫坐標為線段上微元的位置；縱坐標為換能器輸入電功率，自上而下功率依次增大；顏色由冷至暖，代表諧波噪聲級的由小到大。由圖11可知，在超聲清洗裝置的分析線段上，2.5倍諧波先于中間位置出現(xiàn)，表示穩(wěn)態(tài)空化先于中間位置發(fā)生，又于某個時刻布滿整條線段；2.25 倍諧波表示的瞬態(tài)空化同樣先發(fā)生于換能器中間位置，但隨著輸入電功率不斷增加，其空化位置相對集中于中間位置。

圖11 超聲清洗裝置12.5 cm 處x=?50 ～50，y =0 線段與x=0，y =?60 ～0 線段上諧波噪聲級分布圖Fig.11 Distribution diagram of harmonic noise level on section x = ?50 ～50, y = 0 and section x = 0,y =?60 ～0 at 12.5 cm of ultrasonic cleaning device

穩(wěn)態(tài)空化由中間位置開始，隨輸入電功率的增加很快廣泛分布于液體介質(zhì)中，分布相對較為平均。此時空間平均之后的2.5 倍諧波噪聲級與單點測量結(jié)果相近，并且空間平均更有利于反映超聲清洗裝置內(nèi)穩(wěn)態(tài)空化的整體情況。而瞬態(tài)空化發(fā)生的位置相對集中于某一小區(qū)域，微元測得的大值淹沒于空間平均之中，因此兩者測量結(jié)果相差較大。

3.2 超聲清洗槽測量實驗

對于超聲清洗槽，根據(jù)測得的清洗槽中心垂直聲場分布，選取清洗槽底面中心位置，z=20處作為運動軌跡平面。運動軌跡為x=?120～120，y=0與x=0，y=?70～70兩條呈十字交叉的線段。測量結(jié)果如圖12所示。

圖12中，藍色曲線為2.5倍諧波噪聲級，紅色曲線為2.25 倍諧波噪聲級。2.5 倍諧波從0.1819 W 左右開始大幅增長，此時穩(wěn)態(tài)空化出現(xiàn)；至1.266 W左右之后趨于平穩(wěn)，呈緩慢增長狀態(tài)，穩(wěn)態(tài)空化接近飽和。2.25 倍諧波在0.4408 W 出現(xiàn)開始大幅增長，轉(zhuǎn)折點在5.219 W 左右出現(xiàn)，其增長速率明顯下降，此時瞬態(tài)空化出現(xiàn)。瞬態(tài)空化閾值對應的瞬態(tài)空化噪聲級約為31.21 dB。

圖12 超聲清洗槽諧波噪聲級曲線Fig.12 Harmonic noise level curve of ultrasonic cleaning bath

取運動測量的運動路徑中x方向和y方向的一段做空化分布分析。以水聽器1 s 運動的小段位移為微元，求不同輸入電功率下各微元的諧波噪聲級，結(jié)果如圖13所示。

圖13 超聲清洗槽x=?120 ～120，y =0 線段與x=0，y =?70 ～70 線段上諧波噪聲級分布圖Fig.13 Distribution diagram of harmonic noise level on x=?120 ～120, y =0 section and x=0, y =?70 ～70 section of ultrasonic cleaning device bath

圖13橫坐標為線段上微元的位置；縱坐標為換能器輸入電功率，自上而下功率依次增大；顏色由冷至暖，代表諧波噪聲級的由小到大。由圖13可知，在超聲清洗槽的分析線段上，當達到穩(wěn)態(tài)空化和瞬態(tài)空化閾值后，2.5倍諧波表示的穩(wěn)態(tài)空化與2.25倍諧波表示的瞬態(tài)空化均勻的分布于分析線段上，穩(wěn)態(tài)空化相比瞬態(tài)空化更為密集。此時，空間平均的空化噪聲級可以較好地表示超聲清洗槽中的空化強度。

4 討論與結(jié)論

在超聲清洗裝置的聲場環(huán)境下，由于穩(wěn)態(tài)空化分布廣泛，運動測量的空間平均值可以說明清洗槽內(nèi)整體的穩(wěn)態(tài)空化強度；但如果要追溯穩(wěn)態(tài)空化的起始，則需從空化分布圖中尋找率先出現(xiàn)2.5 倍諧波噪聲級的位置，此時，水聽器的運動軌跡選擇至關重要。由于瞬態(tài)空化分布集中，運動測量時會使瞬態(tài)空化起始時少量的瞬態(tài)空化信號湮沒在空間平均之中。因此，無法使用隨機的空間平均說明清洗槽內(nèi)整體的瞬態(tài)空化強度，應在瞬態(tài)空化集中區(qū)域進行測量。同樣，在瞬態(tài)空化測量時水聽器測量位置的選擇至關重要。本文是根據(jù)超聲清洗裝置內(nèi)抽取的幾個平面的聲場分布來選擇測量位置與運動軌跡。對水聽器測量位置與運動軌跡的其他選擇依據(jù)與方法需在進一步研究中進行。

在超聲清洗槽的聲場環(huán)境中，測量曲線各個變化環(huán)節(jié)分界點明顯，穩(wěn)態(tài)空化與瞬態(tài)空化都分布均勻，空間平均能較好地說明清洗槽內(nèi)整體的穩(wěn)態(tài)空化與瞬態(tài)空化狀況。在該環(huán)境下，計算空間平均得到的空化噪聲級能較好地表示空化強度。

本文測量空化分布實驗中，如果水聽器在某位置的測量結(jié)果中出現(xiàn)2.5 倍諧波或2.25 倍諧波噪聲級大于瞬態(tài)空化閾值，則認為水聽器測量點附近發(fā)生穩(wěn)態(tài)空化或瞬態(tài)空化。從結(jié)果來看，該方法有效。但對于穩(wěn)態(tài)空化時氣泡脈動與瞬態(tài)空化時氣泡破滅產(chǎn)生的輻射噪聲，以及與水聽器測量的關系仍需進一步研究。

通過本次實驗研究可得以下結(jié)論：

(1)在不同的環(huán)境下，空化噪聲級都能較好的表示液體介質(zhì)中的空化強度(2.5 倍諧波噪聲級可以表示穩(wěn)態(tài)空化強度，2.25 倍諧波噪聲級可以表示瞬態(tài)空化強度)，不受換能器基頻f0影響。

(2)在超聲清洗裝置(超聲清洗換能器置于大于其自身尺寸的水槽中)環(huán)境下，由于穩(wěn)態(tài)空化分布廣泛，運動測量的空間平均值可以說明清洗槽內(nèi)整體的穩(wěn)態(tài)空化強度；瞬態(tài)空化分布集中，無法使用隨機的空間平均說明清洗槽內(nèi)整體的瞬態(tài)空化強度，應在瞬態(tài)空化集中區(qū)域進行測量。

(3)在超聲清洗裝置(超聲清洗換能器置于大于其自身尺寸的水槽中)環(huán)境下，水聽器空化噪聲譜分析法測量空化強度時，水聽器選取的測量位置、運動路徑對測量的影響效果較大。對水聽器測量位置與運動路徑的選擇也需要在后續(xù)的工作中進一步研究。

(4)在超聲清洗槽(超聲振子焊接于清洗槽下)的聲場環(huán)境中，穩(wěn)態(tài)空化與瞬態(tài)空化都分布均勻，計算空間平均得到的空化噪聲級能較好地表示空化強度。

(5)空化噪聲級的大小、趨勢與空化的發(fā)展過程相對應。精確地得到空化閾值，與了解水槽中空化的發(fā)展過程對超聲清洗及其他與空化相關的應用具有重要意義，對此將在后續(xù)的研究中進一步進行。

致謝感謝林書玉教授、余宏沛教授對本文實驗結(jié)果的指導與肯定；感謝楊柳青、劉玉財對實驗數(shù)據(jù)處理給予的幫助；感謝國防科技工業(yè)水聲一級計量站提供實驗場地，感謝黃勇軍、平自紅、王世全以及杭州瑞利超聲科技有限公司提供的實驗設備支持。