本發(fā)明涉及水聲領(lǐng)域，尤其涉及微氣泡諧振頻率的測(cè)量領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

氣泡水的強(qiáng)色散、強(qiáng)非線性聲學(xué)特性一直是人們感興趣的課題，眾所周知，液體中如果含有氣泡，由于空氣與液體的聲阻抗及聲壓縮特性有著明顯的不同，往往會(huì)導(dǎo)致媒質(zhì)的聲學(xué)特性發(fā)生改變，即聲波在含氣泡的液體中傳播時(shí)，氣泡的受迫振動(dòng)會(huì)引起強(qiáng)烈的聲衰減和色散等特性，并且由于振動(dòng)的非線性，使得氣泡產(chǎn)生的次級(jí)波不僅含有基波成分，而且還含有高級(jí)諧波。氣泡共振會(huì)導(dǎo)致最強(qiáng)的聲非線性，水聲領(lǐng)域中以開(kāi)始研究用來(lái)提高聲參量陣的發(fā)射效率，工程中也用來(lái)檢測(cè)氣泡的存在和氣泡的大小。

當(dāng)含氣泡液體中的氣泡具有一定分布時(shí)，不同大小的氣泡產(chǎn)生非線性效應(yīng)的作用也不同，只有與聲波倍頻發(fā)生共振的氣泡才起主要作用。所以不同濃度下含氣泡液體的非線性參數(shù)，只有共振氣泡這種尺寸大小的氣泡才是主要貢獻(xiàn)者。因此，要利用氣泡存在條件下，水介質(zhì)非線性參數(shù)的具體增加量，需要對(duì)其諧振頻率進(jìn)行測(cè)量。在1992年Wu和Zhu報(bào)道了關(guān)于水中含穩(wěn)定、均勻大小氣泡時(shí)的非線性聲參量工作，表明水中氣泡數(shù)目隨平衡半徑的變化近似為高斯分布。水介質(zhì)中產(chǎn)生氣泡后可改變其聲學(xué)特性，氣泡對(duì)聲波在介質(zhì)中傳播具有很強(qiáng)的耗散和吸收性能，同時(shí)也可增強(qiáng)水介質(zhì)的非線性參數(shù)。氣泡的諧振頻帶范圍對(duì)水聲測(cè)量來(lái)說(shuō)也是一個(gè)很關(guān)心的參數(shù)，因此，測(cè)量氣泡發(fā)生器發(fā)射氣泡的諧振頻率是很重要的一步，當(dāng)氣泡的頻率與發(fā)射聲波的頻率一致時(shí)，聲波共振，此時(shí)，聲衰減程度最大，由此，可以據(jù)此來(lái)尋找氣泡的諧振頻率，進(jìn)而求得氣泡的發(fā)射聲頻率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種微氣泡發(fā)生電極和裝置及氣泡諧振頻率的測(cè)量裝置，簡(jiǎn)化電解水產(chǎn)生氣泡的裝置，并且簡(jiǎn)化測(cè)量氣泡諧振頻率的裝置。

為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種微氣泡發(fā)生電極：微氣泡發(fā)生電極包括：2n根導(dǎo)電棒、電源接口和絕緣板，所述2n根導(dǎo)電棒固定在絕緣板上，2n根導(dǎo)電棒通過(guò)電源接口交錯(cuò)與電源正、負(fù)極相連，每相鄰2根導(dǎo)電棒組成1組導(dǎo)電回路，其中n為正整數(shù)。

為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明還提供了一種微氣泡發(fā)生裝置：所述裝置包括微氣泡發(fā)生電極、發(fā)生池和直流電源， 所述微氣泡發(fā)生電極設(shè)置在發(fā)生池底部中央位置；所述直流電源的電源電極與微氣泡發(fā)生電極的電源接口相連。

為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明還提供了一種微氣泡諧振頻率的測(cè)量裝置：所述裝置包括微氣泡發(fā)生裝置、發(fā)射聲源、水聽(tīng)器和數(shù)據(jù)采集器；所述發(fā)射聲源和水聽(tīng)器距所述微氣泡發(fā)生裝置的發(fā)生池底部距離相等，水聽(tīng)器的信號(hào)輸出端與數(shù)據(jù)采集器的信號(hào)輸入端相連接。

采用本發(fā)明的裝置，可以完成水池中簡(jiǎn)易氣泡發(fā)生裝置的設(shè)計(jì)和諧振頻率的測(cè)量。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用氣泡濃度的不同，可以應(yīng)用外部電源供給電壓的大小不同來(lái)調(diào)節(jié)，還可以通過(guò)增加或減少導(dǎo)電棒的個(gè)數(shù)或排放方式，改變氣泡的濃度，所述裝置和方法簡(jiǎn)單，操作方便。

本發(fā)明的電極中所述2n根導(dǎo)電棒等長(zhǎng)，等間距排列。

本發(fā)明測(cè)量裝置中所述發(fā)射聲源包括信號(hào)源和發(fā)射換能器，所述信號(hào)源的信號(hào)輸出端與發(fā)射換能器的信號(hào)輸入端相連接；所述發(fā)射換能器和水聽(tīng)器距所述微氣泡發(fā)生裝置的發(fā)生池底部距離相等。

本發(fā)明測(cè)量裝置還包括功率放大器和測(cè)量放大器，所述功率放大器電連接在信號(hào)源和發(fā)射換能器之間；所述測(cè)量放大器電連接在水聽(tīng)器和數(shù)據(jù)采集器之間。

本發(fā)明上述測(cè)量裝置還包括信號(hào)分析儀，信號(hào)分析儀的信號(hào)輸入端分別與信號(hào)源的信號(hào)輸出端及水聽(tīng)器的信號(hào)輸出端相連接。本發(fā)明上述測(cè)量裝置還包括計(jì)算機(jī)，所述計(jì)算機(jī)的信號(hào)輸入端與數(shù)據(jù)采集器的信號(hào)輸出端相連接。

附圖說(shuō)明

圖1為微氣泡發(fā)生電極的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為微氣泡發(fā)生裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為微氣泡諧振頻率的測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為微氣泡諧振頻率的測(cè)量方法的流程圖；

圖5為氣泡謝振頻率測(cè)量結(jié)果曲線圖；

圖6為信號(hào)源發(fā)出頻率的變化曲線；

圖7是聲波作用下液體中小氣泡的機(jī)電類比圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下文中將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。需要說(shuō)明的是，在不沖突的情況下，本申請(qǐng)中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互任意組合。

如圖1所示，微氣泡發(fā)生電極1中絕緣板13，為固定導(dǎo)電棒11用，2n根導(dǎo)電棒11為等長(zhǎng)的，導(dǎo)電棒11每隔一定距離固定在絕緣板13上，每根導(dǎo)電棒11穿過(guò)絕緣板13，用紅色和藍(lán)色的導(dǎo)電線作為電源接口12與導(dǎo)電棒11連接，2n根導(dǎo)電棒11通過(guò)電源接口12交錯(cuò)與電源正、負(fù)極相連，用于給導(dǎo)電棒11供電。

增加導(dǎo)電棒11的個(gè)數(shù)或排放方式，增加電棒的密度，可以是產(chǎn)生氣泡的濃度加大，實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)氣泡濃度的要求，可以合理設(shè)計(jì)和改裝。

如圖2所示，微氣泡發(fā)生電極1，放入發(fā)生池21中央，產(chǎn)生氣泡的原理如下。利用穩(wěn)壓穩(wěn)流電源，在電源接口12的正負(fù)電極之間加入直流電壓，電解水的過(guò)程中產(chǎn)生 和氣泡，與比重較小，隨著氣體的放出，與逐漸上浮，因而形成半徑大小不同的氣泡群，進(jìn)而形成氣泡幕，氣泡在水介質(zhì)中近似為正態(tài)分布。電極電解水的方程式為：

外加電極電壓的大小會(huì)影響氣泡的濃度，單位體積內(nèi)氣泡的上升速率。因此，外部供給電極電壓的大小對(duì)于氣泡濃度，大小也存在一定程度的影響。

微氣泡諧振頻率的測(cè)量原理如下：

根據(jù)聲波在水中傳播，當(dāng)其發(fā)射頻率與氣泡諧振頻率相同時(shí)，聲波衰減最大的原理，利用水聽(tīng)器4將有無(wú)氣泡存在條件下接收到的聲波幅值做差，找到幅度差值最大處或者最大的某個(gè)范圍內(nèi)的比較大的差值頻點(diǎn)或者范圍，進(jìn)而求得氣泡的諧振頻率范圍，因?yàn)闅馀菰谒橘|(zhì)中近似為正態(tài)分布，可氣泡的諧振頻率統(tǒng)計(jì)求出氣泡群的平均半徑。

如圖4所示，微氣泡諧振頻率的測(cè)量方法利用接收聲信號(hào)聲波幅度差值的方法，找到氣泡的諧振頻率。

(一)信號(hào)源31發(fā)出頻率連續(xù)調(diào)制的脈沖信號(hào)，利用發(fā)射換能器32每隔一定帶寬△f 發(fā)射一定的頻率，第一個(gè)發(fā)射聲波的頻率為f ，第二個(gè)發(fā)射聲波的頻率為f +△f ，第三個(gè)發(fā)射聲波的頻率為f +2△f …，第N個(gè)發(fā)射聲波的頻率為f +(N -1)△f 。在距發(fā)射換能器32一定距離處利用水聽(tīng)器4進(jìn)行接收，信號(hào)通過(guò)測(cè)量法大器后，經(jīng)過(guò)信號(hào)分析儀8分析接收信號(hào)是否正常，若正常則利用數(shù)據(jù)采集器5記錄數(shù)據(jù)并傳到計(jì)算機(jī)9，分別讀取第一個(gè)發(fā)射信號(hào)在計(jì)算機(jī)9上顯示的幅值A₁ ，第二個(gè)發(fā)射信號(hào)的接收幅值為A₂ ，第三個(gè)發(fā)射信號(hào)的接收幅值為A₃ …,則第N個(gè)發(fā)射信號(hào)的接收幅值為A_N 。

(二) 外部施加7V的直流電源22給導(dǎo)電棒11供電，看到發(fā)生池21中產(chǎn)生穩(wěn)定的氣泡層后，信號(hào)源31發(fā)出頻率連續(xù)調(diào)制的脈沖信號(hào)，利用發(fā)射換能器32每隔一定帶寬△f 發(fā)射一定的頻率，第一個(gè)發(fā)射聲波的頻率為f ，第二個(gè)發(fā)射聲波的頻率為f +△f，第三個(gè)發(fā)射聲波的頻率為f +2△f …，第N 個(gè)發(fā)射聲波的頻率為f +(N-1)△f 。在距發(fā)射換能器32一定距離處利用水聽(tīng)器4進(jìn)行接收，信號(hào)通過(guò)測(cè)量法大器后，經(jīng)過(guò)信號(hào)分析儀8分析接收信號(hào)是否正常，若正常則利用數(shù)據(jù)采集器5記錄數(shù)據(jù)并傳到計(jì)算機(jī)9，分別讀取第一個(gè)發(fā)射信號(hào)在計(jì)算機(jī)9上顯示的幅值B₁ ，第二個(gè)發(fā)射信號(hào)的接收幅值為B₂ ，第三個(gè)發(fā)射信號(hào)的接收幅值為B₃ …，則第N個(gè)發(fā)射信號(hào)的接收幅值為B_N 。

(三) 作出(一)狀態(tài)下，水聽(tīng)器4接收信號(hào)幅值與發(fā)射聲波頻率的關(guān)系曲線。

(四) 作出(二)狀態(tài)下，水聽(tīng)器4接收信號(hào)幅值與發(fā)射聲波頻率的關(guān)系曲線。

(五) 作出有、無(wú)氣泡狀態(tài)下，氣泡幅值差與發(fā)射聲波頻率的關(guān)系曲線。

(六) 從(五)作出的曲線尋找幅值降低最大值的頻率點(diǎn)，此點(diǎn)就為氣泡的諧振頻率。

含氣泡水特別是當(dāng)氣泡共振時(shí)的聲衰減比純水中大得多，所以本發(fā)明可以直接根據(jù)此原理獲得氣泡的諧振頻率。

實(shí)施例

將本發(fā)明提供的裝置應(yīng)用于測(cè)量水介質(zhì)產(chǎn)生的微氣泡的諧振頻率，具體如下：

微氣泡發(fā)生電極1，導(dǎo)電棒11為不銹鋼導(dǎo)電棒，所述導(dǎo)電棒11的直徑為8mm，2n根導(dǎo)電棒11為等長(zhǎng)的，長(zhǎng)度為1米，絕緣板13為長(zhǎng)方形的、長(zhǎng)為0.5m，2n根導(dǎo)電棒11每隔2cm穿過(guò)絕緣板13，在絕緣板13另外一側(cè)留出10cm的長(zhǎng)度，正負(fù)極交錯(cuò)排列，絕緣板13兩側(cè)各用一個(gè)墊片和一個(gè)螺絲將導(dǎo)電棒11固定，用紅色和藍(lán)色的導(dǎo)電線與導(dǎo)電棒11連接作為電源接口12，用于給導(dǎo)電棒11供電。

微氣泡發(fā)生裝置2，發(fā)生池21為4m*3m*2m的消聲水池，直流電源22采用DH 1718雙路跟蹤穩(wěn)壓穩(wěn)流電源。

如圖3所示，測(cè)量氣泡諧振頻率用到的儀器：1臺(tái)2通道Tek 3102信號(hào)源31，用于給發(fā)射換能器32提供信號(hào)；一臺(tái)B&K2713功率放大器6，用于對(duì)信號(hào)實(shí)行輸出的功率放大；一只標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器B&K8101，接收指向性為183dB，用于接收水聲信號(hào)；一臺(tái)B&K2636測(cè)量放大器7，用于對(duì)接收的聲信號(hào)在電壓上放大；一臺(tái)Tek 4034信號(hào)分析儀8，用于對(duì)發(fā)射信號(hào)、接收信號(hào)檢測(cè)，看信號(hào)是否正常；一臺(tái)多通道PULSE數(shù)據(jù)采集器5，用于對(duì)水聽(tīng)器4接收的信號(hào)采集；一臺(tái)計(jì)算機(jī)9，用于監(jiān)測(cè)時(shí)域波形，波形正常即將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)9硬盤中。

氣泡諧振頻率的測(cè)量：把電解水的電極放入發(fā)生池21底部，放置在發(fā)射換能器32與B&K8101接收水聽(tīng)器4之間，觀測(cè)聲波通過(guò)氣泡層后聲幅值的變化，尋找諧振頻率點(diǎn)。測(cè)試之前保證發(fā)射換能器32，接收水聽(tīng)器4的聲中心位于同一條直線上，發(fā)射換能器32與接收水聽(tīng)器4間距為186cm，接收水聽(tīng)器4的入水深度均為52cm，距池底18cm，微氣泡發(fā)生電極1與發(fā)射換能器32間距為138cm，發(fā)射換能器32與池壁間距為18cm，測(cè)試過(guò)程中發(fā)射信號(hào)為CW脈沖，如圖6所示，脈沖周期為100ms，35kHz信號(hào)的脈沖填充個(gè)數(shù)為50，測(cè)量放大器7調(diào)節(jié)至適當(dāng)倍數(shù)后用Pulse進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。假設(shè)測(cè)試環(huán)境為各項(xiàng)同性的自由聲場(chǎng)，聲波在水池中球面擴(kuò)展。

為正確區(qū)分到達(dá)水聽(tīng)器4的直達(dá)聲與反射聲，準(zhǔn)確處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將信號(hào)源31作為數(shù)據(jù)采集器5Pulse的外部觸發(fā)源，保證在發(fā)射聲信號(hào)的同時(shí)，Pulse采集到的第一個(gè)信號(hào)是直達(dá)聲，這樣就區(qū)分出直達(dá)信號(hào)與反射信號(hào)。

進(jìn)行無(wú)氣泡、有氣泡時(shí)的衰減對(duì)照試驗(yàn)。發(fā)射連續(xù)單頻信號(hào)，信號(hào)頻率由10kHz至80kHz每隔10kHz變化，信號(hào)源31設(shè)置幅度峰峰值800mV。功率放大器6均旋轉(zhuǎn)至60dB，測(cè)量放大器7調(diào)節(jié)至適當(dāng)倍數(shù)后進(jìn)行PULSE采集，無(wú)氣泡時(shí)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為120s，有氣泡時(shí)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為300s。各頻率信號(hào)無(wú)氣泡、有氣泡時(shí)的功率統(tǒng)計(jì)如表1所示。

電解氣泡的聲衰減曲線如附圖5所示。

氣泡一般由氣體通過(guò)小孔進(jìn)入液層分散而成，小氣泡不屬于吸聲材料，當(dāng)水中有小氣泡群時(shí)會(huì)存在明顯的吸收和散射作用，聲波通過(guò)這種小氣泡群后，會(huì)產(chǎn)生很大的衰減。小氣泡和諧振腔相似，在聲波作用下均勻形變，它相當(dāng)于一個(gè)彈性元件，機(jī)電類比圖如圖7所示。

等效彈性系數(shù)：，輻射聲阻：，共振質(zhì)量：，作用于小氣泡的總壓力：。其中，為氣泡半徑；是聲波角頻率；是波束；為介質(zhì)中聲速；為介質(zhì)密度；是氣泡表面積；是作用于氣泡的壓力；是氣體等壓比熱和等容比熱的比值，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣來(lái)說(shuō)，，是小氣泡體積。由機(jī)電類比電路得到小氣泡做受迫振動(dòng)時(shí)的等效機(jī)械阻抗及小氣泡的諧振頻率關(guān)系：

為氣泡半徑，為聲波原頻率，為波數(shù)，為介質(zhì)中的聲速，為介質(zhì)密度，是作用于氣泡的壓力，是氣體等壓比熱和等容比熱的比值，是氣泡表面積。

對(duì)于水中的氣泡，取，空氣的，并設(shè)氣泡在水面附近，則為1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，由此可得：，其中，的單位為cm。 當(dāng)獲得氣泡的諧振頻率后，通過(guò)此式還可獲得氣泡半徑。

本發(fā)明還可有其他多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明做出各種相應(yīng)的改變和變形，這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。