基于谱分析方法的超声空化特征实验研究

论文摘要

超声空化是指超声作用于液态媒质时所引发的一种特有的物理现象,是超声在实际应用中的主要动力。二十世纪90年代以来,由于超声医学、声化学的迅速兴起以及医用超声剂量等安全性问题的提出,使超声空化的研究进入了一个新的发展阶段。随着高科技领域的不断开拓、观测技术的精密完善和人类保障自身健康的需要,使声空化的应用研究倍受关注。但是其理论研究尚不完善,由于空化声场的复杂性,以至于反应槽(器)内空化情况的测量未得到很好的解决,尚未找到一种能准确描述空化情况及特点的方法,从而为客观地评判及利用空化带来了困难。所以对于空化的精确描述以及定量测量、定量描述空化特征的参量及其对应的关系,以及不同声场特征的空化特点是一个急需解决的课题。鉴于此,本文以实验研究为主,对反应槽的空化噪声进行了测量,探索并研究更定量、更实用化的空化测量方法。本文利用谱分析法对空化场进行了研究,选择水听器和传声器作为测量器件,对圆柱形和矩形反应槽的水中和空气中的空化噪声进行了测量,并且对得到的空化噪声数据做了功率谱和倒谱分析,最后对得到的结果进行了分析和比较。通过大量的实验研究,主要工作及结论包括以下几个方面:(1)设计并制作了简易低通滤波器,并分析测量了低通滤波器的频响曲线。(2)超声空化在空气中的噪声信号的时域声压波形具有随机性和周期性两大特点,所以对采集到的数据需要用随机信号处理理论进行分析,为了确保结果的可重复性,数据应尽可能采的长一些,并要保证采集的时间长度为周期的整数倍,以减少测量误差。(3)用水听器和传声器对圆柱形和矩形反应槽的空化噪声信号进行了测量,并用MATLAB程序对水听器和传声器测量的数据进行了功率谱处理。结果表明,用水听器测量的数据进行功率谱分析后有以下特点:随着输入电功率的增加,空化噪声信号的功率谱图中的基波、分谐波、谐波幅度有所不同;在相同的输入电功率和相同的反应槽的条件下,换能器标称频率为20kHz、25kHz的谐波和分谐波幅度要大于换能器标称频率是45kHz的幅度;在相同的输入电功率和相同的换能器频率的条件下,反应槽底面直径是10cm、12cm的功率谱中的分谐波幅度要大于底面直径是11cm的反应槽的幅度;在相同的输入电功率和相同换能器的频率的条件下,底面积相同的圆柱形和矩形反应槽,其空化噪声信号的功率谱图中的基波、分谐波、谐波幅度有所不同;对于同一个反应槽,当换能器黏贴位置不同时,其空化噪声信号的功率谱图中的基波、分谐波、谐波幅度基本相同。用传声器测量的数据做功率谱分析后,其功率谱图与水听器测量的大体情况基本相似,但有时存在一定差异,这可能是由于环境噪声、反应槽自身啸叫声及传声器和水听器灵敏度的不同造成的。但总的说来,空气中的空化噪声谱图与水中的基本是相似的。(4)倒谱分析对谱分析有一定的修正作用,并且能够发现频谱中的周期性。所以用MATLAB程序对水听器和传声器测量的数据进行了倒谱处理。结果表明,倒谱分析得到的一些观点与功率谱中的是相似的,但是我们通过对测量数据做倒谱分析后,发现了一些在功率谱中所不能看到的一些规律,如倒谱分析发现:倒谐波的排列和换能器的工作频率之间存在一定的规律,还有就是在功率谱中的一些细微差别,通过倒谱分析就很明显的表现出来了。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 超声空化的研究进展
• 1.1.1 理论进展
• 1.1.2 应用进展
• 1.2 超声空化测量技术研究进展
• 1.2.1 直接测量方法
• 1.2.2 间接测量方法
• 1.2.3 高速摄影和全息化技术
• 1.3 研究背景及其研究意义
• 1.4 本文的研究内容
• 第2章 超声空化和谱分析的基本理论
• 2.1 超声空化理论
• 2.1.1 超声空化
• 2.1.2 空化阈
• 2.1.3 空化气泡的运动
• 2.1.4 稳态空化和瞬态空化
• 2.2 频谱分析理论
• 2.2.1 功率谱分析基本理论
• 2.2.2 自功率谱的定义
• 2.3 倒频谱分析理论
• 2.3.1 倒频谱的基本原理
• 2.3.2 倒频谱的特点
• 第3章 超声空化噪声信号的采集及特点
• 3.1 实验装置
• 3.2 实验内容
• 3.3 实验方法
• 3.4 信号采集
• 3.5 采集信号的预处理
• 3.6 超声空化声压信号的时域特征
• 3.6.1 水中声压信号的时域特征
• 3.6.2 空气中声压信号的时域特征
• 3.7 超声空化声压信号的频域特征
• 第4章 单换能器反应槽空化噪声的谱分析
• 4.1 水中空化噪声的谱分析
• 4.1.1 不同电功率时的空化噪声的谱分析
• 4.1.2 不同频率时的空化噪声的谱分析
• 4.1.3 不同反应槽空化噪声的谱分析
• 4.1.4 换能器位置不同时的空化噪声的谱分析
• 4.2 空气中空化噪声的谱分析
• 4.2.1 不同电功率时的空化噪声的谱分析
• 4.2.2 不同频率时的空化噪声的谱分析
• 4.2.3 不同反应槽空化噪声的谱分析
• 4.2.4 换能器位置不同时的空化噪声的谱分析
• 第5章 单换能器反应槽空化噪声的倒谱分析
• 5.1 水中空化噪声的倒谱分析
• 5.1.1 不同电功率时的空化噪声的倒谱分析
• 5.1.2 不同频率时的空化噪声的倒谱分析
• 5.1.3 不同反应槽空化噪声的倒谱分析
• 5.1.4 换能器位置不同时的空化噪声的倒谱分析
• 5.2 空气中空化噪声的倒谱分析
• 5.2.1 不同电功率时的空化噪声的倒谱分析
• 5.2.2 不同频率时的空化噪声的倒谱分析
• 5.2.3 不同反应槽空化噪声的倒谱分析
• 5.2.4 换能器位置不同时的空化噪声的倒谱分析
• 总结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间的研究成果