新型气流声源发声特性及其对气溶胶的团聚实验研究*

庞颖钢张光学 吕洪坤袁定琨顾海林邓利娟

(1中国计量大学能源工程研究所 杭州310018)

(2国网浙江省电力有限公司电力科学研究院 杭州310014)

(3宁波工程学院材料与化学工程学院 宁波315016)

0 引言

声波团聚技术是一项极具潜力的气溶胶快速团聚技术。气溶胶颗粒在高强声场中受声波作用，产生相对运动，颗粒间相互碰撞、团聚形成粒径更大的颗粒，从而大幅减少气溶胶颗粒数目[1]。该技术在除尘、除雾、化工、消烟和消防等领域都表现出很好的应用前景[2-5]。

已有研究人员对声波团聚技术进行了较广泛的研究。Liu等[6]使用压缩式驱动器作为声源，配合给予频率的信号发生器与提高功率的功率放大器，对燃煤飞灰气溶胶进行团聚处理，在声压级为147 dB、频率为1.4 kHz的条件下，颗粒浓度降低了68.4%。胡秋冬[7]将超声波震子作为声波发生器黏附于团聚室外侧进行团聚实验，15 s停留时间下，除尘效率为93.2%。陈厚涛等[8]使用警报扬声器作为声波发生器，团聚燃煤飞灰气溶胶，在声压级为160 dB的声场中，PM2.5颗粒数量浓度减少了58.9%。声波团聚除团聚燃煤飞灰和除尘以外，还可用于团聚超细液滴。超细液滴是指粒径尺寸小于等于10 μm的液相气溶胶。声波团聚超细液滴气溶胶在机场除雾、人工降雨、工厂回收硫酸颗粒等多个工业领域中都具有很好的应用潜力[9-11]。张光学等[12]使用压缩式驱动器作为声源，在声压级为148 dB、频率为6 kHz的条件下，10 s内超细液滴气溶胶质量浓度减少了99%。上述研究均表明声波团聚技术对消除气溶胶具有很好的效果。目前实验大多采用电声声源，配合信号发生器与功率放大器以便调节声源的频率与声压级，但此类声源内部结构精密，在高温、高尘环境中无法正常工作[13-15]，无法应用于工业生产中，其功率也不满足工业生产所需。因此亟需研究出可在工业生产环境中稳定工作的大功率高强声源。

相比电声声源，以高压气体驱动的气流声源具有功率大和使用方便的特点。而在气流声源中，Hartmann型气流声源具有结构简单、无运动部件、可在恶劣条件下工作等优点，因此有望应用于今后的气溶胶声波团聚中[16-17]。其发声过程为，压缩空气经喷嘴加速后形成不完全膨胀的射流，射流冲入处于压力不稳定区域的谐振腔内，会在腔前形成一个分离的激波，分离的激波会产生大幅度的振荡，从而导致周围空气共振发声[18]。

目前已有少量研究显示气流声源可用于声波团聚技术。Zhao等[19]利用频率为50 Hz～2 kHz和140～150 dB高强度声波的气流声源，对钢铁厂烧结烟气进行声波团聚实验，发现在数秒内PM2.5的减排效率便可达到37%至92%。Wu等[20]使用频率在3～8 kHz范围内的气流声源研究超细液滴气溶胶的声波团聚效果，发现在6 kHz的最佳频率下，超细液滴气溶胶的团聚效率可达55%，但比电声声源得到的团聚效率要低30%。据分析，使用气流声源时，做功后的乏气会伴随声波一同排出，使气溶胶颗粒往远离声源的方向运动，降低了颗粒物在声场中的有效停留时间，因此一定程度上降低了团聚效率[21]。

针对上述问题，本文创新性地设计了一款具有气声分离特性的气流声源，可将声源的乏气与声波进行分离，减少乏气对团聚效率的负面影响。首先通过实验获得声源的发声特性，探究侧面开口尺寸对号角出口处气流量与声压级的影响。其次使用该声源进行声波团聚实验，研究气溶胶浓度与驱动压力对团聚效果的影响。研究结果可以为气流声源应用于声波团聚技术的进一步发展提供理论基础。

1 工作原理

1.1 Hartmann型气流声源及气声分离原理

Hartmann型气流声源是以高压气体驱动发声的高强声源，发声时存在3种工作模式[22]：不稳定模式、回流模式和尖叫模式。声源正常发声时，在回流模式下工作，亚声速气流经环形喷嘴压缩后，被加速至超声速，超声速气流射入谐振腔，于腔内生成一系列压缩波传至腔底，腔内压力增大，碰撞腔底壁面后反射至腔口，在腔口处形成膨胀波向腔内传播，膨胀波同样在腔底处反射至腔口，此时腔内压力降低。腔内压力的变化会导致气体入流方向的改变，腔内压力增大时，射流方向转向腔体外侧，腔内压力降低时，射流方向重新转向腔内。此过程不断循环，压缩波与膨胀波的产生使周围空气产生周期性振动从而发声。

本文设计了一款具有气声分离特性的气流声源。该声源由Hartmann型气流声源与号角构成，其中谐振腔直径为32 mm，深度为20 mm，中心杆直径为12 mm，喷嘴直径为22 mm，喷嘴与谐振腔间距离为12.3 mm，谐振腔口倒角为45°，用L表示Hartmann型气流声源与号角之间的侧面开口尺寸。图1为该声源的实物图与结构图。气声分离的原理是，声源以回流模式发声时，受谐振腔内压力的影响，喷嘴出口的喷射气流会循环地改变气流方向，当射流方向转移至腔外时，射流与轴向间将具有一定偏转角度。偏转的射流大部分会从侧面开口处直接排出，部分声能也会从侧面开口处传递出去。小部分气流则会朝号角出口流出，声源发出的其余声能也会沿号角传递出去。

图1 具有气声分离特性的气流声源实物与结构图Fig.1 Physical diagram and structure diagram of air-jet generator with flow-sound-separation

1.2 气溶胶声波团聚原理

以超细液滴作为团聚对象，团聚过程如图2所示。目前，声波团聚的机理研究中，最为重要的是正向团聚机理及声波尾流效应。此外，声流、共辐射压效应和声致湍流等团聚机理也不可忽略[23]。

图2 液滴气溶胶的声波团聚示意图Fig.2 Schematic representation of acoustic agglomeration of fine droplet aerosol

正向团聚机理是指，不同粒径的颗粒在高强声波作用下产生相对运动，从而引起碰撞并团聚。具体表现为，在声波作用下，大颗粒受惯性影响位移距离小，而小颗粒位移距离大，于是形成相对运动。且在团聚过程中，大颗粒具有收集核的作用，会不断吸收与其碰撞的小颗粒形成一个更大颗粒，减少细颗粒数量，并增大平均粒径[24]。

声波尾流效应是由Oseen流动条件下颗粒运动速度方向的前后流场不对称引起的[25]。相邻两个颗粒受声波作用产生位移时，前方颗粒后部会形成低压尾流区域，吸引处于该区域的后方颗粒，使两个颗粒相互靠近。半个声波周期后，流体运动速度方向转变，两颗粒位置互换，仍存在吸引作用。数个周期之后，两个颗粒最终发生碰撞形成大颗粒[26]。

2 实验设备及方法

实验装置如图3所示，声波团聚室是由内径300 mm、高度600 mm的有机玻璃管制成。该团聚室具有较高的透光率，对激光的阻挡作用很小，底部则为刚性反射面，能够有效反射声波，提高声波的利用效率。采用具有气声分离特性的气流声源，放置在团聚室上部，由空压机(型号-L18.5-7.5)提供所需压缩空气。

图3 气溶胶声波团聚实验装置图Fig.3 Schematic diagram of the experimental set-up for acoustic agglomeration aerosol

将声级计探头作为传声器与示波器(型号-TBS1072B)连接，示波器采样间隔为1×10-5s，将传声器放置在团聚室内，示波器将获取一段时间内压力变化的数据，保存数据并将所得数据通过快速傅里叶变换得到对应的频谱分析。在相同位置用声级计(型号-AWA5661)的Z计权(线性不计权)方式测量声源的声压级。

使用热线风速仪(型号-Testo405i)测量团聚室内风速，由于号角出口风速不均匀，在团聚室内采用多点测量的方法采集对应点位的风速。用各点位的风速可以进一步获取此时号角出口处的质量流量，其计算公式为

式(1)中：qm为质量流量；ρ为空气密度；qv为体积流量；An为测量点对应的测量面积；vn为测量点对应的风速。

采用激光测试系统实时测量团聚室内气溶胶颗粒的团聚情况，由功率50 mW、波长650 nm的激光水平照射团聚室，用激光功率计(型号-LP1)接收穿过团聚室的激光，即可实时采集透过团聚室的激光强度，数据处理后可以得到气溶胶透光率。通过测量团聚室内有无气溶胶时的激光光强，可以得到透光率，计算公式为

式(2)中：Tt为t时刻的气溶胶透光率；It为t时刻透过气溶胶颗粒的激光强度；I0为团聚室内无气溶胶颗粒时的激光强度。团聚室内气溶胶的初始浓度可以用初始透光率的大小表示，初始透光率越小，气溶胶初始浓度越大。

超细液滴气溶胶由水雾发生器产生，利用粒子动态分析仪(Particle dynamic analyzer,PDA)对液滴粒径进行了采样分析。测量结果见图4，该颗粒的粒径主要分布在2～20 μm之间。

图4 超细液滴颗粒的初始粒径分布Fig.4 Initial particle size distribution of fine droplet aerosol

3 结果与分析

3.1 声源的发声特性

3.1.1 声压级与频率

图5为声源在不同驱动压力下的声压级。由图5可见，声压级随驱动压力先增大后减小，在0.3 MPa下声压级达到最大值，为159.6 dB。驱动压力在0.3 MPa以下时，声压级随驱动压力的增大而增大，增长率则逐渐降低。但声压级并非随驱动压力的增大而一直增大，Brun[27]通过实验得到，当压力的增加使不稳定阈值非常接近谐振腔时，声压级反而会降低。主要原因是驱动压力的增大会使激波的单位长度发生改变，不稳定区域的位置发生变化，谐振腔所处位置从湍流混合区变至湍流稳定区，使声压级下降[28]。

图5 声压级与驱动压力的关系Fig.5 The relationship between sound pressure level and inlet pressure

图6为该声源的频谱分析，发声基频为2.9 kHz，振幅为800 Pa左右。其倍频分别为5.8 kHz与8.7 kHz，两个倍频的振幅为100 Pa左右。

图6 气流声源发声频谱分布Fig.6 Sound spectrum distribution of air-jet generator

3.1.2 侧面开口尺寸对发声特性的影响

将声源放置在大空间中，驱动压力为0.3 MPa时，声源侧面开口尺寸L对声压级的影响如图7所示。在L=0 mm时，受号角限制，声源产生的高强声波主要沿号角方向传播，声压级在0°处达到最大值，为158 dB。角度为60°～150°时，声压级明显降低，150°时最小，仅135 dB。当侧面增加开口时，声源工作情况有所不同，随着L增大，部分声波将从侧面开口传播出去，号角出口处声压级略有降低，60°～150°位置的声压级逐渐增大。由于声源的声指向性会受气流转向的影响，发声时侧面开口处气流的流出方向在120°～150°区域之间，因此在120°～150°区域的声压级增长幅度最大。这表明，声源侧面进行排气时，部分声波也伴随着乏气排放，使号角出口处的声波强度略微降低。改变侧面开口尺寸并不会对声源本身结构造成改变，因此声源发声频率基本不受侧面开口尺寸的影响。

图7 气流声源的声指向性Fig.7 Sound field directivity of air-jet generator

将声源放置于团聚室上方，测量不同L值时团聚室内声压级的大小，结果如图8所示。由于团聚室能够有效反射声波，此测量条件下的声压级将进一步增大，L=4 mm时，声压级可达到160.7 dB。随着L的增大，侧面随乏气排放的声能增加，使团聚室内的声压级逐渐减小。

图8 侧面开口尺寸对号角出口声压级的影响Fig.8 The influence of opening distance on sound pressure level of horn exit

随着侧面开口尺寸L的增加，声源的声指向性以及号角出口处的流量都将受到影响。图9为侧面开口尺寸对号角出口处质量流量的影响。由图9可见，随着L增大，号角出口处质量流量逐渐减少，但其减小趋势并非线性，受谐振腔内压力变化影响，乏气流动具有指向性，当侧面开口位置处于乏气流动方向时，质量流量变化波动较大。当L=5～7 mm时，号角出口处流量将从正值转变为负值，表明此时号角出口处气流将以回流的形式从侧面开口处排出。

图9 侧面开口尺寸对号角出口乏气流量的影响Fig.9 The influence of opening distance on the mass flow at the exit of the horn

为了使声源在声波团聚工业应用时具备良好的团聚效果，应避免乏气对气溶胶的干扰，因此号角开口处的气流应尽可能小。同时，回流的存在会使团聚室内颗粒由侧面开口处排出，同样会降低团聚效果。从图9可见，当L为6.5 mm左右时，乏气基本全部从声源侧面开口排出，而号角出口的宏观流速几乎为零，气声分离效果最佳。

3.2 声源的团聚效果

3.2.1 声源驱动压力对气溶胶团聚的影响

图10为L=6.3 mm、频率为2.9 kHz条件下声源驱动压力对气溶胶团聚的影响，结果显示，在无声波作用下团聚室内透光率在10 s内基本没有变化，说明气溶胶的自然沉降是个缓慢的过程。有声波作用下，团聚室内透光率在8 s时已达到98%，声波对消除气溶胶有显著的作用。对声源施加不同的驱动压力，0.3 MPa下的团聚效果最好，0.25 MPa下的团聚效果次之，0.15 MPa下团聚效果最差，这与不同驱动压力下的声源发声强度相对应。声场中的颗粒物是被气体介质挟带振动的，声场强度的增加，增大了气体介质的振动速度幅值，从而使气体介质的振动幅度增大，被气体挟带的颗粒物的幅值也相对增大，碰撞概率增加，团聚效果越好。同时，声场强度增加，增大了颗粒物的运动速度，增大了不同粒径间颗粒的相对运动速度，根据正向团聚机理，颗粒间相对运动增强，更易于团聚。

图10 不同驱动压力下的团聚效果Fig.10 Reunion effect under different inlet pressures

在声波作用7 s后，0.2～0.3 MPa工况下的透光率基本相同，都达到98%左右，而0.15 MPa工况下声波作用10 s时透光率只能达到94%。此时0.15 MPa进气压力的声压级为145 dB，0.2 MPa进气压力的声压级为154 dB，已能够将团聚室内的超细液滴颗粒基本消除干净。声压级为145 dB时，细液滴随气体介质振荡的幅值较小，其一个周期内可碰撞的细液滴数目较少，随着团聚的不断进行，颗粒间间距增大，液滴的碰撞概率进一步减小，因此团聚效率较差。

3.2.2 气溶胶初始浓度对团聚效果的影响

图11为L=6.3 mm、驱动压力为0.3 MPa、频率为2.9 kHz条件下气溶胶浓度对团聚的影响。结果表明，初始透光度为1.5%、4.0%、27.0%、40.0%的4种工况在声波作用7 s时，透光率已基本一致，团聚室内的透光率都已达到98%，说明气溶胶初始浓度越大，早期团聚速率越高。其主要原因为，气溶胶初始浓度越大，单位体积内液滴颗粒数目越多，颗粒间的间距越小，声波团聚时，单位时间内颗粒间发生碰撞的概率增大，更容易团聚形成较大粒径颗粒。

图11 气溶胶初始浓度对团聚效果的影响Fig.11 The effect of initial aerosol concentration on the effect of agglomeration

团聚过程中单位体积内颗粒不断减少，颗粒间距也在增大，颗粒间的碰撞概率逐渐减小，因此透光率的增长速率也在不断减小。同时，团聚形成的大液滴受重力影响会滴落至团聚室底部，缺少大团聚体作为团聚核会进一步减少颗粒间碰撞概率。因此后期团聚速度减缓，最终不同初始浓度的液滴能达到近似的团聚效果。

4 结论

本文设计了一款新型的具有气声分离特性的气流声源，研究了关键参数对气声分离效果的影响，并对该声源的气溶胶团聚效果进行实验。主要结论如下：

(1)声源的声压级主要受驱动压力的影响，驱动压力在0.3 MPa以下时，驱动压力越大声压级越大，该声源最大声压级为159.6 dB。随着侧面开口尺寸的增大，号角出口处气流量与声压级将不断减小。当侧面开口尺寸为6.5 mm左右时，号角出口处气流宏观速度接近于零，气声分离效果较好。

(2)该声源能够达到较好的气溶胶团聚效果，10 s内能将团聚室内液滴基本清除。声压级越高，团聚效果越好，0.3 MPa下具有最佳团聚效果。初始气溶胶浓度越高，团聚前期效果越好，后期则团聚效果趋近。