空化噪声谱研究

冯中营,吴胜举

(1.太原工业学院 理学系,山西 太原 030008;2.陕西师范大学 应用声学研究所,陕西 西安 710062)



空化噪声谱研究

冯中营1,2,吴胜举2

(1.太原工业学院 理学系,山西 太原 030008;2.陕西师范大学 应用声学研究所,陕西 西安 710062)

空化是一种特殊的水动力现象,为研究不同的空化方法产生的空化噪声谱,文章理论上进行多孔板振动的计算,并用ANSYS模拟多孔板的振动,研究其振动频率与测得的空化噪声谱之间的联系,初步对小处理量的压电超声换能器产生的超声空化谱及大处理量的多孔板、簧片哨和漩涡哨三种水力空化谱进行比较分析,结果表明,在特定的条件下,测得的多孔板空化噪声谱与压电超声换能器及簧片哨产生的空化噪声谱类似,呈现明显线状谱特征,其他条件下多孔板空化噪声谱与漩涡哨空化噪声谱类似没有明显线状谱特征．

空化;多孔板;压电换能器;簧片哨;漩涡哨;空化噪声谱

0 引言

超声空化或者水力空化是指液体内局部压强降低到液体的饱和蒸气压时,液体内部或液体与固体交界面上出现的蒸汽或气体空泡的形成、发展和溃灭的过程．有关超声空化及水力空化的研究包括空化产生的机理、空化腐蚀问题、空化泡流理论、空化的各种物理效应及化学效应和非定常空化等．利用水力的机械设备、高速的实验涵洞、船舶等的水翼和舵及流体中的各种兵器等都会遇到空化问题,致使制造所有的材料剥蚀,机械效率降低,并产生振动和显著噪声．但在流态的显示、水力设备钻孔和工业清洗零配件作业中,也可以发挥空化的有益作用．空化噪声是一种很强的噪声,在工程中应尽量避免．空化噪声谱已被国内外研究者研究,研究范围仅局限于理论或者实验或者单一空化噪声谱．产生空化的方法有很多种,为进一步分析空化产生的空化噪声谱,本文首先进行多孔板(打有不同数量不同直径的孔的圆片钢板)振动频率的理论计算与模拟,其次对实验采集的多孔板、压电超声换能器、簧片哨(利用液体作为动力源冲击簧片发声的声换能器)及漩涡哨(利用高速流动的液体产生漩涡空化并发出各频率噪声的装置)三种水力空化装置和一种超声空化装置产生的空化噪声谱进行比较分析,研究理论计算得到的振动频率、ANSYS模拟得到的振动频率和通过水听器采集的噪声频率的关系,比较不同方式产生的空化噪声谱的差异．

1 多孔板空化时谐振频率的理论分析计算与ANSYS数值模拟分析计算

1.1 多孔板空化时谐振频率的理论分析计算

在实验过程中,多孔板是一周边界被用螺丝固定在实验装置上的,这时的振动方程可以认为[1-3]:

(1)

其中:1)η(t,x,y)表示多孔板圆面上要分析的某点在垂直与多孔板面方向上产生的位移.

求解得多孔板在圆周边界固定的边界条件下的频率为:

(2)

多孔板的参数分别为:泊松比σ=0.28,杨氏模量E=19.5×1010N/m2, 密度ρ=7.8×103kg/m3,直径a=0.075m,厚度h=0.004m．由柱贝塞尔函数的值得:μ1=3.20,μ2=6.30,μ3=9.44．

得基频为:f1=7.10kHz,泛频f2=27.75kHz,f3=62.10kHz．

1.2 多孔板振动频率的ANSYS数值模拟计算

由于多孔板的特殊性,理论计算不十分符合实际,有限元分析软件可以很好地解决这个问题,本文利用有限元分析软件ANSYS对实验所用的多孔板按照实际测量的实验用多孔板的尺寸、孔的直径、打孔的数目、打孔的孔分布情况建模,并使用ANSYS中的四面体单元进行模型的智能网格划分[4-6]．假设多孔板在圆周边界固定的边界条件下振动,进行多孔板振动的模态分析,模拟结果得出各个多孔板的振动模态及各阶振动频率(见表1)．

表1 多孔板的振动频率分布表

由ANSYS的数值模拟结果可知,在圆周边界固定的边界条件下,空化实验所用的多孔板的各阶振动频率随多孔板打孔径及打孔数目的变化很小,在可听声频率范围内的各阶振动频率分别为7 kHz与14 kHz．ANSYS模拟得到的7 kHz的频率与在理论计算中得到的7.10 kHz基本相符．

2 三种不同孔径多孔板的空化噪声谱分析研究

为研究空化产生的空化噪声谱,设计实验装置图如图1所示,用水听器采集多孔板产生空化时的噪声,并进行频谱分析．在多孔板管道进口处流体压强(以下简称流体压强)相同的条件下,研究三种不同孔径的多孔板的空化噪声谱,噪声幅度谱如图2～4所示．

图1 实验设备图

图2为打孔的直径为1 mm打孔的数量为36个的多孔板在管道流体压强为0.5 MPa下的空化噪声谱,大幅度对应的峰值很少,仅有3个明显的峰值频率成分:0.88 kHz，3.52 kHz，9.04 kHz．

图3为打孔的直径为3 mm打孔的数量为1个的多孔板在管道流体压强为0.5 MPa下的空化噪声谱,实验得到的空化噪声谱中呈现特别清晰的线状谱特征,并且大幅度对应的峰值频率有些并不在可听声的频率范围内,而是频率升高至到大于20 kHz的超声频率频段．本实验条件下峰值频率分别为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,呈现出的谐波与分谐波的显著特性,与打孔的直径为1 mm多孔板的空化噪声谱完全不同．

图2 0.5 MPa管道流体压强下的空化噪声谱

图3 0.5 MPa管道流体压强下的空化噪声谱

图4 0.5 MPa管道流体压强下的空化噪声谱

图4为打孔的直径为2 mm打孔的数量为9个的多孔板在管道流体压强为0.5 MPa下的空化噪声谱,主峰值也明显很少,仅有0.25 kHz，1.27 kHz，1.74 kHz，2.32 kHz的明显频率成分．这与打孔的直径为1 mm多孔板的空化噪声谱类似,与打孔的直径为3 mm多孔板的空化噪声谱也完全不同．

3 多孔板与其他空化方式产生的空化噪声谱比较分析

为比较不同的空化方式产生的空化噪声谱,本文对压电超声换能器产生的超声空化噪声普及簧片哨和漩涡哨产生的水力空化噪声谱进行了测量与分析,实验结果如图5-7所示．

1)压电超声换能器产生超声空化时测得的空化噪声谱如图5所示．

研究所采用的超声换能器的基本频率为26 kHz,此频率即为压电超声换能器的所需要输入的高频电的频率,图5中所示的幅度最大时对应的频率为基本频率的倍数．由此可以得出,超声换能器的空化机理是换能器的核心部件压电陶瓷在超声信号发生器发出的高频率电信号的策动下作高速的机械振动,机械振动传入流体中,导致了超声空化的产生．空化噪声谱与图3所示多孔板空化噪声谱类似．

2)簧片哨产生水力空化时测得的空化噪声谱如图6所示．

图5 压电换能器的超声空化噪声谱

图6 0.5 MPa管道流体压强下的空化噪声谱

在0.5 MPa管道流体压强下测得簧片哨水力空化噪声谱,图6表明簧片哨水力空化的噪声谱呈现非常明显的线状谱特征,可以得出结论在高压强及高速流体的策动下,核心部件簧片进行快速的振动,产生具有明显倍数关系的峰值频率空化噪声谱．空化噪声谱图与图3所示多孔板空化噪声谱、图5所示压电换能器产生空化噪声谱类似．

3)漩涡哨产生空化时测得的空化噪声谱如图7所示．

图7 0.5 MPa管道流体压强下的空化噪声谱

管道流体压强0.5 MPa下,漩涡哨水力空化时产生的空化噪声谱的频率基本分布于小于5 kHz的低频可听声频率段,空化噪声谱并不具有线状噪声谱的特点,仅出现了振幅差距较大的一系列噪声峰,改变管道流体压强进行实验时得到的峰值频率也是不同的．此时水力空化噪声谱与图2、图4所示多孔板水力空化产生的空化噪声谱类似．

4 结论

经过理论分析计算与ANSYS数值模拟及实验测量可以得出结论:打孔的直径为3 mm打孔的数量为1个的多孔板在0.5 MPa多孔板管道进口处流体压强下进行水力空化时测得的空化噪声谱具有明显的线状谱特征．其他类型的多孔板没有呈现明显的线状谱特点,说明能够激发多孔板在水力空化时产生超声范围频率噪声的实验条件是特定的,多孔板必须能够高速振动才可能发出超声．图3所示的实验测得频率与表1所示的ANSYS数值模拟频率具有很好的符合性．

多孔板空化与漩涡哨的空化噪声谱有类似的特征,漩涡哨的水力空化原因是流体通过实验管道时产生旋涡效应从而产生了水力空化现象,漩涡哨的造型结构及安装方式决定了它不太可能振动．特定的多孔板在特定的条件下才会高速振动,因为实验所用的多孔板的厚度为4 mm,这一厚度在周界固定的条件下是很难高速振动的,发射超声波便变得特别困难,使多孔板的厚度变薄有利于其高速振动;多孔板产生水力空化的原因与簧片哨不尽相同,簧片哨在高流速流体的冲击下引起主要核心部件簧片的振动从而产生水力空化;多孔板水力空化的原因与超声换能器超声空化的原因也有显著的区别,超声换能器的核心部件压电陶瓷的高速振动是引起流体内产生超声空化的根本原因,从这一方面来分析研究压电超声换能器的空化类似簧片哨的空化,特定多孔板只有在非常特殊条件下才可以发射超声波,此时多孔板是被高速流体策动振动的与簧片哨及压电超声换能器的高速振动产生空化类似,但由于多孔板的构造特点其水力空化的噪声谱并不能呈现明显的谐振动特征．

本文对多孔板振动频率进行理论分析计算与ANSYS数值模拟,并对四种空化方式产生的空化噪声谱进行分析比较研究,得出了较好的结论,但不同条件下的空化噪声谱也是不同的,要详细研究各类空化噪声谱,还需要进行大量的理论与实验研究,以便找出空化噪声谱的规律性,为有效利用或避免空化提供理论实验依据．

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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

国家自然科学基金资助项目(10474061，10074042).

冯中营(1981-),男，山东临沂人，硕士，太原工业学院理学系讲师，主要从事声学研究.

1672-2027(2016)02-0008-04

O426

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