声波除尘实验研究

杨富帮，阮孝慈，王鹏飞，邓 宇

（天津科技大学化工与材料学院，天津 300457）

声波除尘实验研究

杨富帮，阮孝慈，王鹏飞，邓 宇

（天津科技大学化工与材料学院，天津 300457）

以含尘气体浓度为研究对象,分析实验中声波频率、声场中声压级和作用时间对含尘气体浓度的影响。设计单因素实验，采用XFD-7A型低频信号发生器、标智GM1356噪音计、FLUKE 941照度计对声波除尘效果进行探究。实验结果表明：当声波频率为800 Hz，声压级为140 dB，作用时间为3 min时，声波除尘效果最佳。

频率;除尘效果;声压级

粉尘按粒径大小可分为降尘、总悬浮颗粒物（TSP）和飘尘（可吸入颗粒物IP）[1]。悬浮于空气中的固体微粒谓之尘，其大小通常在100 μm以下[2]。粉尘主要通过呼吸道进入人体，对人体造成伤害。粉尘被吸入机体的几率与粉尘在空气中停留时间的长短有关，因此粉尘分散度高，沉降速度慢，稳定程度高，被吸入的几率就大[3]。工业生产过程中，通过烟囱和通风系统不断向大气排放各种粉尘，也有某些工业设备在操作过程中所产生的粉尘直接进入大气[4]。粉尘也是雾霾形成的主要原因，会造成大气污染。同时，对人们日常生活带来了严重影响。习惯上对粉尘有许多名称，如灰尘、尘埃、烟尘、矿尘、砂尘和粉末等，这些名词没有明显的界限[5]8。

声波技术的发展与应用，为解决含尘气体提供了新的途径，无论从经济方面还是技术上都易于实现，声波与物质分子的作用，主要是声空化作用、机械作用以及热作用[6]。

实验过程中对燃烧的香所产生的气体进行收集，在特定实验条件下对其进行声波处理，以便找到声波除尘最佳条件。

1 实验部分

1.1 原料与仪器

原料：香，实验室提供。

仪器：标智GM1356噪音计，深圳市佳利正宏电子有限公司；FLUKE 941照度计，珠海天泽仪器有限公司；XFD-7A型低频信号发生器，天津市第二电子仪器厂；SYJ-IA型DSP教学功率放大器，北京市三雅诚信系统工程技术有限公司；除尘系统由除尘室和堵头构成，在除尘室两端进行密封,并在一端安装用于声波反射的堵头，另一端安装辐射声波的声源。

1.2 实验方法

1.2.1 含尘气体产生

实验中采用人工产尘的办法生产含尘气体。在产尘室中形成稳定的含尘气体通过除尘室，需要注意的是每次测量时，要根据不同的检测目的，控制好不同的变量。

1.2.2 声波频率对除尘效果影响的研究

在产尘室中，收集稳定的含尘气体，使含尘照度在某一确定的值下，测量过程中控制声压级（或声压）和作用时间相同，改变声波频率，在相同实验情况下检测粉尘浓度随声波频率的变化特点。

1.2.3 声压级对除尘效果影响的研究

在产尘室中，收集稳定的含尘气体，使含尘照度在某一确定的值下，确定最佳声波频率下作用相同时间，考察不同声压级对粉尘沉降效果的影响。

1.2.4 作用时间对除尘效果影响的研究

在产尘室中，收集稳定的含尘气体，使含尘照度在某一确定的值下，在一定的声波频率和声压级下，考察不同作用时间对含尘气体除尘效果的影响。

2 结果与讨论

实验中采用人工产尘的办法生产含尘气体。在产尘室中形成的稳定的含尘气体通过除尘室后，需要注意的是每次测量时，要根据不同的检测目的，控制好不同的变量。

2.1 声压级随位置的变化

由于声级计的量程范围是30～130 dB，所以要根据管内外差值来测量声压级，为了便于测量并减少实验对测量产生的误差，测量除尘室内声压级时需多测量几次，取平均值，然后加上管外声压级值就是管内声压级值。实验数据如表1所示。

表1 管内外声压级差值

另外需要考虑的是声波在除尘室内随着距离变化而发生的声波衰减问题。由于在除尘室内形成的是驻波声场，为了比较声场随距离变化而发生的变化情况，只对比各频率声波在波腹和波节处的声压级。本实验从除尘室堵头开始为零位置，向扬声器方向逐渐增大，单位为mm[5]30。其中用于测量声压的声级计型号为标智GM1356噪音计。实验结果如图1所示（B：初始声压级118 dB，C：初始声压级122 dB， D：初始声压级 128 dB）。

图1 声压级随位置的变化

从图1中可以看出，随着距离远离扬声器，声压级数并没有发生明显的减小或增大，表明在除尘室内空气没有对声场产生明显的衰减效应。所以在后续的实验过程中，可以不考虑除尘室内空气对声波造成的衰减。

2.2 声波频率对除尘效果的影响

实验条件：将声压级控制在140 dB，频率在700、800、900、1 000 和 1 100 Hz，作用时间为 3 min，在不同的频率下用FLUKE 941照度计测其照度。考察不同声波频率对除尘效果的影响，结果见图2。其中，实验中空白照度见表2。

表2 初始和稳定的照度

图2 声波频率对除尘效果的影响

根据表2和图2中数据可知，加入声波后照度升高，且照度随着声波频率的增加呈现先增加后减小的变化趋势，从图中数据可以得出，当声波频率为800 Hz时照度最大，照度最大说明除尘效果最好。所以，在实验中最佳声波频率为800 Hz。

2.3 声压级对除尘效果的影响

实验条件：将声波频率控制在800 Hz，声压级分别为 100、110、120、130、140、150 和 160 dB， 作用时间为3 min，在不同声压下用FLUKE 941照度计测其照度。考察不同声压级对除尘效果的影响，结果见图3。其中，实验中空白照度同表2。

根据图3中数据可知，照度随着声压级的增加呈现先增加后减小的趋势，从图中数据可以得出声压级在140 dB时照度最大。所以，在实验中最佳声压级为140 dB。

2.4 作用时间对除尘效果的影响

实验条件：将声波频率控制在800 Hz，声压级控制在 140 dB，作用时间分别为 1、1.5、2、2.5、3、3.5 和4 min，在不同作用时间下用FLUKE 941照度计测其照度。考察不同作用时间对除尘效果的影响，结果见图4。其中，实验中空白照度同表2。

根据图4中数据可知，照度随着作用时间的增加呈现递增趋势，在作用时间为3 min时照度最大，作用时间大于3 min时，照度基本不变。所以，在实验中最佳作用时间为3 min。

图3 声压级对除尘效果的影响

图4 作用时间对除尘效果的影响

3 结语

通过实验可以得出，声波除尘最佳条件为：声波频率为800 Hz，声压级为140 dB，作用时间为3 min，此条件下除尘效果最佳。

[1] 王旻.粉尘及其危害[J].铁道劳动安全卫生与环保，2000，27（4）：46-48.

[2] 王希鼎.粉尘及其危害[J].玻璃，1997，24（2）：38-40.

[3] 苌翠粉，姚晓玲，杨会玲，等.粉尘及其危害因素和预防措施分析[J].临床合理用药，2013，6（9）：144.

[4] 刘小虎.粉尘浓度测量技术研究[D].西安：西安工业大学，2013.

[5] 蒋华刚.平面驻波声场中声波除尘研究[D].西安：陕西师范大学，2009.

[6] 谭艳芝.超声波对钨酸铵溶液结晶机制影响的研究[D].长沙：中南大学，2004.

10.13752/j.issn.1007-2217.2017.03.003