2 超声波清洗噪声的研究

超声波清洗噪声的研究

曾　华,史天录

(五邑大学机电系,广东江门529020)

　　摘　要:通过对超声波清洗中空化现象的研究,分析了空化噪声产生的原因和影响因素,提出一些减小空化噪

声对环境影响的方法。

关键词:声学;超声波清洗;空化;空化噪声中图分类号:O426　　　文献标识码:A

I nvesti ga ti on on No ise of Ultra son i c W ave C lean i n g

ZEN G Hua,SH I Tian 2lu

(Dep t .ofMechatr onics,W uyi University,J iang men Guangdong 529020,China )

　　Abstract:Thr ough an investigati on of cavitati on of ultras onic wave cleaning,the cause of cavitati on noise and its effect fact ors are analysed,and s ome advices t o reduce the influence of cavitati on noise t o envir on ment are p r oposed .

Key words:acoustics;ultras onic wave cleaning;cavitati on;cavitati on noise 收稿日期:2006211210

作者简介:曾华(1977-),男,湖南人,在读硕士生,研究方向是机械设计及自动化。

　　超声波清洗设备已经广泛得到使用。超声波清洗是一种环保的洗涤方式,超声空化在固体和液体界面所产生的高速微冲流能够除去或削弱边界污层,增加搅拌作用,加速可溶性污物的溶解,强化化学清洗剂的清洗作用,这样就能减少化学清洗剂的用量,甚至可以不用化学清洗剂。其缺点是噪声很大,大约有85dB 以上,身处其中的人自是非常难受的。这就带来了一种污染:噪声污染。在消除一种污染的同时带来另一种污染,其环保的称号名不符实。

这种噪声是超声空化带来的,叫做空化噪声。只要利用空化效应来清洗,则空化噪声基本上是不可避免的,它一定伴随着空化效应的发生而产生。为了降低空化噪声,就需要对空化噪声产生的原理进行研究,从而在不影响空化清洗能力的前提下,找出一些降低空化噪声对环境影响程度的方法。

1　空化噪声的危害

　　吴迎春等在《超声清洗空化噪声对大白鼠学习记忆影响的研究》一文中的研究发现,空化噪声不但污染环境,而且对长期处于这种工作环境中的工作人员会引起健康状况的下降、工作能力的降低等。

众所周知,当噪声达到一定强度就会对人的听觉器官产生伤害,进而使听力下降。研究结果表明,一个人每天如果受到80d B 以上噪声的影响,久而

久之,他的听力就会明显下降;人们如果短时间内受

到100～125d B 噪声的影响,耳朵会暂时变聋;如果受到150dB 以上噪声的短暂冲击,耳朵会永远失去听力。在当今提倡以人为本的社会里,如此大的噪声问题是必须加以解决的。

2　理论分析

　　所谓超声空化,是指液体在超声波作用下产生大量的非稳态的微小气泡和空泡(直径约50～500

μm ),这些气泡和空泡随超声波的振动反复进行生成、迅速变大、溃灭闭合的循环过程。溃灭闭合时会产生压强高达几百乃至几千帕的微激波,因剧烈碰撞导致突然爆裂,使气泡周围产生上千个大气压,从而对附近的固壁面发生空蚀,同时辐射出强烈的空化噪声,这种现象叫空化现象。

目前对空化现象的研究较多。按研究对象来说,由单空泡研究到多空泡研究;由初期的大空泡溃灭研究,到小空泡溃灭研究。我国的研究人员还提出了双空泡研究的方式等。很多科学家提出了在不同情况下空泡的运动方程和声辐射公式,而以单空泡研究最为重视。单空泡噪声一般仅考虑它的体积脉动辐射的噪声。声辐射的基本公式为

p (r ,t )=ρR r

R ¨R t -r -R C ∞

+2 R 2

t -r -R

C ∞

(1)

式中r %离单气泡中心的距离;

t %气泡溃灭时开始后持续的时间;p (r ,t )%距r 远的点t 时刻的声压值;

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ρ%液体的密度;R %气泡的半径;

C ∞%无穷远处的声速值。

由(1)式可以得出在典型的空泡溃灭辐射中的声压与时间间的函数关系如图1所示,通过Fourier 变换得到的谱函数如图2所示

。

图1　单空泡溃灭声压的变化

　　从图1可以看出空化噪声主要是那些峰值,也

就是在气泡崩溃的瞬间产生的。三个峰值分别代表第一次、第二次、第三次崩溃时的空化噪声的声压值。从图2还可以看出,出现了某些频率的峰值,表明空化噪声主要集中在某几个频率上。如果将峰值频率提高到人听不到的频率范围(20KHz 以上),噪声自然就会减小。图2溃灭辐射噪声谱

在对超声波作用下的空化泡的运动研究中,对于充气空化泡的崩溃时间τ,有比较精确的表达式

τ≈0.915R m

ρ

P h

1

2

1+

P v P m

(2)

式中P v %空化泡内气压;

R m %空化泡的半径;ρ%液体的密度;

P h %外压力(环境压力);

P m %半径为R m 的空化泡开始崩溃的那一时刻的液体内压力。

如果泡内蒸汽压可忽略(即P v =0),则上式可简化为

τ≈0.915R m

ρ

P h

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(3)

　　由上式可知,增加外压力将导致空化阀值增高和空化泡崩溃程度加剧。这是因为如增大外压力,使声波负压峰值(-P A )小于P h ,则P h -P A 90,瞬态空化则不能发生;同时P h 增加,将导致τ减小,使得空化泡溃灭变得更快、更剧烈。

简单来说,空化噪声是这样产生的:超声波在水中产生超声空化,空化泡闭合时会产生基频谐波(与超声频率f 0一致)和分频谐波(1/2f 0,1/3f 0,…),这些谐波叠加在一起就组成了空化噪声,其中分频谐波的频率较低,有可能进入人耳所能听见的频率范围之内,成为噪声的主要来源。超声频率越

低,就有更多的分频谐波能够听得见,从而噪声就越大。

3　降噪举措

　　根据以上的理论分析结合实际经验,可以得出一些降低空化噪声对环境影响的措施。每一个因素都有其自身的作用,但它们之间又互相影响,综合考虑才能真正解决问题。3.1　提高超声频率

　　图3、图4就是在超声波频率不同,其他情况都

相同时的空化噪声谱。

图3　频率21.2KHz 的噪声谱

图4　频率为27.1KHz 的噪声谱

　　很明显可以看出,频率为27.1KHz 的噪声谱除了主频很大以外,其他的分频谐波都要小得多。也

就是说空化噪声的强度也会明显降低。

超声频率越高,其分频谐波就能少一些进入人耳,噪声也会相应减少。但是随着超声频率的增高,空化过程会变得难以发生。当频率增高,则声波膨胀时间变短,空化核来不及增长到可产生一定空化效应的空化泡,即使空化泡形成、声波的压缩时间亦短,空化泡可能来不及发生崩溃。因此,频率增高将使空化效应变弱。为了在较高超声频率下产生空化,可以提高声强,即超声空化的声强阀值(使液体产生空化的最低声强或声压幅值)将随频率的升高而升高。但是,高频超声在液体中的能量消耗快,这就要求我们提高功率,经济性因此会随之降低。因此,为了获得同样的化学效应,对于高频超声需付出

2007年8月噪　声　与　振　动　控　制第4期

3.2　不利用空化效应洗涤

　　超声清洗工作频率在1MHz左右甚至高达3MHz,有时被称之为兆赫级超声清洗。由于频率太高,声波在清洗液中很难发生空化,其清洗机理一般认为主要由于声压梯度、粒子对于小间隙、狭缝、深孔的零件的清洗,而空化效应是次要的。这种超声清洗的特点是清洗方向性强,清洗时一般将零件表面置于与声束平行的方向。这样噪声的问题也就不存在了。但是没有了空化反应,其洗涤能力怎样,需要试验来证明。不过洗涤能力下降,可以用一些辅助的措施来解决:电解水洗涤、臭氧洗涤、物理洗涤等。这不失是一个可以深入研究的方向。

3.3　加装吸声附件、并把洗涤桶或缸密闭起来

　　在洗涤容器的底、端面和四周加装吸声附件,例如:玻璃丝绵等等。这种措施是有必要的,虽然会吸收一些超声波,影响效率,但为了保护环境、保护人的身体健康,这点损失是可以接受的。

把洗涤容器密闭起来以减少噪声的传出。这个措施的效果是不错的,但有些洗涤容器不好密闭或是难以实现,如波轮洗衣机等。若是不好密闭,可以在整个清洗机外面加上一个隔声罩。洗涤容器的内壁用声音反射能力强的材料制成,让声音多次反弹后减弱,也可以减少噪声的逸出。

3.4　减小声强

　　噪声的大小是与声强成正比的,减小了声强,必然就达到了减噪的目的。然而声强是不能无限小的,它有个阀值(即产生空化的最小值)。如果声强小于阀值则空化效应不能产生。而且声强在一定范围内与空化作用的激烈程度也成正比。声强小,空化缓和,则超声波的洗涤效率差,洗涤用时长,浪费能源。于是我们要根据洗涤的对象不同,选择一个最优的声强值。

3.5　减小外压力

　　减小外压力使空化崩溃所需的声强阀值降低,达到降低噪声的目的。但是首先空化泡崩溃的剧烈程度有所降低,从而使清洗的效果和效率降低;其次是要另外加一套减压的装置,而且密闭性也要达到一定程度才行,这将使整个清洗系统变得臃肿。

4　结语

　　如今超声波清洗技术得到了快速的发展和广泛的应用。然而其带来的空化噪声是一个必须正视的问题(噪声不但污染环境,对操作者的身心健康也有害),又是一个无法避免问题(常规超声波清洗技术所利用的空化效应带来的)。只有解决了这个问题,超声波清洗技术才能更加广泛的应用。本文仅仅提出了一些解决方法,相信应该还会有效果更好,或是更简单易行、便于操作的方法出现,这就需要更多人力投入其中,深入研究。

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