本發(fā)明涉及一種利用聲懸浮液滴測量液體中聲壓振幅的方法，用于測量連續(xù)相液體中的聲壓振幅，屬于聲學(xué)測量技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

聲壓參數(shù)是眾多工程應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)研究中的關(guān)鍵參數(shù)，因此聲壓參數(shù)的測量一直是聲學(xué)測量技術(shù)中研究的重點(diǎn)。目前液體中聲壓振幅的測量主要采用聲強(qiáng)測量儀法與水聽器法，其中，聲強(qiáng)測量儀法測量聲壓振幅的基本原理為利用聲強(qiáng)測量儀測量得到給定電功率條件下液體中的聲強(qiáng)值，再根據(jù)聲強(qiáng)i與聲壓振幅pa之間的換算關(guān)系，即得到液體中聲壓振幅的大小。但由于聲強(qiáng)測量儀體積較大，致使在測量較小體積內(nèi)的聲壓振幅時嚴(yán)重改變了原有聲場，測量結(jié)果與實(shí)際情況嚴(yán)重不符。基于水聽器法的測量方式主要包括兩種：壓電水聽器法和光纖水聽器法。壓電水聽器法能較準(zhǔn)確的測量較低功率下的聲壓振幅，但在高功率條件下測量點(diǎn)處產(chǎn)生溫度上升、沖擊波、聲流與聲空化等非線性效應(yīng)容易造成傳感器靈敏度下降，甚至損壞水聽器，且由于水聽器自身有一定的體積，會對原有連續(xù)相液體中的聲場分布產(chǎn)生一定的干擾，也使得聲壓振幅的測量值不準(zhǔn)確；光纖水聽器法需要在測量處放置光纖傳感器，由于光纖傳感器與連續(xù)相液體之間往往存在空隙，空隙中的氣體充當(dāng)了空化核，這極易使測量處產(chǎn)生空化，導(dǎo)致測量結(jié)果與實(shí)際聲壓振幅不一致。因此設(shè)計一種準(zhǔn)確性好適用性強(qiáng)的懸浮液滴聲壓振幅測量方法十分必要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種利用聲懸浮液滴測量液體中聲壓振幅的方法，用于測量連續(xù)相液體中聲壓振幅的大小，為聲壓測量提供一種準(zhǔn)確性好適用性強(qiáng)的新方法。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：一種利用聲懸浮液滴測量液體中聲壓振幅的方法，其特征在于包括以下步驟：該方法首先將連續(xù)相液體加入前面板設(shè)有刻度的透明矩形槽體，使用微量移液器向連續(xù)相液體中滴加微小的與連續(xù)相液體不互溶的液滴，開啟位于矩形透明槽體底部的超聲波換能器，并通過功率放大器調(diào)節(jié)超聲波換能器的輸出功率，使得液滴在連續(xù)相液體中恰好懸浮；通過設(shè)置在矩形槽側(cè)方位的高速攝像儀拍攝微小液滴的圖片1，此時小液滴位于高速攝像儀的焦距處；隨后使高速攝像儀沿其焦距方向水平移動，使矩形槽體的刻度位于高速攝像儀的焦距處，拍攝矩形槽體前面板的圖片2，對圖片1和圖片2進(jìn)行圖像處理分析，數(shù)據(jù)化液滴在該電功率下的懸浮位置；逐漸增大功率放大器輸出功率，依次得到微小液滴在不同電功率下的懸浮位置，高速攝像儀重復(fù)拍攝微小液滴與前面板的圖片，進(jìn)行圖像處理，數(shù)據(jù)化液滴在不同電功率下的懸浮位置；最后通過液滴的懸浮位置來反算連續(xù)相中不同超聲電功率下聲壓振幅的大小，位置越接近壓力波節(jié)，連續(xù)相中的聲壓振幅越大。

進(jìn)一步，如上述所述的利用聲懸浮液滴測量液體中聲壓振幅的方法，其中，所述加入矩形槽體中的連續(xù)相液體高度為連續(xù)相液體中半波長的整數(shù)倍，以此在連續(xù)相液體中建立駐波場。

進(jìn)一步，如上述所述的利用聲懸浮液滴測量液體中聲壓振幅的方法，其中，所述使用微量移液器向連續(xù)相液體中滴加微小不互溶液滴，通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，液滴粒徑的大小對懸浮位置沒有影響，這里推薦施加的液滴直徑大小在700μm到2400μm之間。

進(jìn)一步，如上述所述的利用聲懸浮液滴測量液體中聲壓振幅的方法，其中，所述調(diào)節(jié)功率放大器的輸出功率，使得液滴在液體中恰好懸浮，此處液滴恰好懸浮的超聲電功率為懸浮液滴需要的最小功率，對應(yīng)液滴的懸浮位置為壓力波節(jié)下方λ/8處。

進(jìn)一步，如上述所述的利用聲懸浮液滴測量液體中聲壓振幅的方法，其中上述數(shù)據(jù)化液滴在該電功率下懸浮位置的方法包括如下操作：

(1)首先將高速攝像儀拍攝得到的微小液滴圖片1和矩形槽體前面板圖片2利用計算機(jī)圖像處理軟件疊加在一起，合成圖片3；

(2)然后，利用計算機(jī)處理圖片3，獲得液滴在圖像中的豎直位置，如上述所述附圖3中圖片3內(nèi)黑色粗實(shí)線l’所示；

(3)最后，以矩形槽體前面板上的刻度線為參考，將液滴在圖像中的豎直位置換算成液滴在矩形槽體前面板刻度中的位置坐標(biāo)，該位置水平線即為液滴懸浮的最低位置(理論上距離聲壓波節(jié)λ/8處附近)，將水滴懸浮的最低位置l’設(shè)置為豎直方向的零基準(zhǔn)線。

進(jìn)一步，如上述所述的利用聲懸浮液滴測量液體中聲壓振幅的方法，其中，上述通過液滴的懸浮位置來測量連續(xù)相中不同超聲電功率下聲壓振幅的大小步驟中，

首先將不同電功率下的液滴位置坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成基準(zhǔn)線l’下的相對坐標(biāo)，再將液滴的相對位置坐標(biāo)無量綱化，即所有坐標(biāo)均除以λ/8，將無量綱化的坐標(biāo)代入聲壓的反算公式(1)中的z′，將連續(xù)相液體與液滴的物性數(shù)據(jù)代入公式(1)中相應(yīng)的參數(shù)，計算得到連續(xù)相中的聲壓振幅的大小pa，

所述聲壓振幅的反算公式如下：

其中ρw為液滴的密度，ρo為連續(xù)相的密度，g為重力加速度，pa為連續(xù)相中的聲壓振幅，λ為連續(xù)相中的聲波波長，co為連續(xù)相中的聲速，為液滴的密度與連續(xù)相的密度的比值，σ為液滴中的聲速與連續(xù)相中的聲速的比值。

本發(fā)明的利用聲懸浮液滴測量液體中聲壓振幅具有許多優(yōu)勢，且該方法特別適用于實(shí)驗(yàn)研究中在較小體積范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)聲壓振幅的準(zhǔn)確測量。本發(fā)明的聲懸浮液滴法測量聲壓振幅因充分利用了以下規(guī)律而具有很高的可靠性：

聲懸浮液滴可被視為是高聲強(qiáng)條件下的一種非線性效應(yīng)，利用聲駐波與液滴的相互作用產(chǎn)生聲場力以克服液滴的凈重力(重力和浮力的合力)。根據(jù)液滴在連續(xù)相液體中受力分析可知，液滴受到重力、浮力和聲場力的作用，這里將重力和浮力合成一個力，即凈重力，根據(jù)液滴受力平衡有：

fg-fac＝0(2)

凈重力為：

其中a為液滴的半徑，ρw為液滴的密度，ρo為連續(xù)相的密度，g為重力加速度。

聲場力為：

其中pa為連續(xù)相中的聲壓振幅，λ為連續(xù)相中的聲波波長，co為連續(xù)相中的聲速，為液滴的密度與連續(xù)相的密度的比值，σ為液滴中的聲速與連續(xù)相中的聲速的比值。

聲懸浮液滴如附圖1所示，所述附圖1中的底面為聲波輻射面，頂面為聲波反射面，輻射面與反射面之間為連續(xù)相液體，聲波由輻射面輻射進(jìn)入連續(xù)相液體中，遇到聲波反射面后發(fā)生反射，當(dāng)輻射面與反射面之間的距離為聲波半波長的整數(shù)倍時，輻射波與反射波在連續(xù)相液體中發(fā)生干涉產(chǎn)生駐波。所述附圖1中左側(cè)曲線為聲壓p(z)的分布曲線，所述附圖1中右側(cè)曲線為聲場力fac的分布曲線，聲場力分布曲線兩側(cè)的黑色虛線箭頭方向代表液滴在聲場中所受聲場力的方向，所述附圖1中圓球①和②代表液滴，fac代表液滴受到的聲場力，fg代表液滴受到的凈重力，即液滴受到的重力與浮力的合力。

然而，利用懸浮液滴測量聲壓振幅時如果將上述公式(4)中的sin(4πz/λ)簡化為1，雖然在測量時只需獲得液滴密度、液滴中聲速、連續(xù)相密度、連續(xù)相中聲速和波長即可算得聲壓振幅的大小，但是由于一般液滴密度與連續(xù)相液體密度不相等，液滴懸浮位置將位于壓力波節(jié)下方，即所述附圖1中斜線填充區(qū)域部分，這種簡化的操作勢必只能測得一個點(diǎn)值，導(dǎo)致聲壓振幅測量不全面也不能滿足實(shí)際測量需求。本發(fā)明中，液滴1所在位置距離壓力波節(jié)λ/8，即所述附圖1中黑色虛線l表示，為最低懸浮位置，對應(yīng)的電功率為最小懸浮電功率；根據(jù)公式(4)可知，液滴的懸浮位置距離壓力波節(jié)越近，懸浮所需的聲壓振幅就越大，因此，液滴2懸浮位置處所需的聲壓振幅要大于液滴1懸浮位置處所需聲壓振幅，對應(yīng)的電功率也大于最小懸浮電功率。若將公式(4)中的sin(4πz/λ)簡化為1，相當(dāng)于將所述附圖1斜線填充區(qū)域部分簡化為一條直線，因此無法準(zhǔn)確測得高于最小懸浮電功率時連續(xù)相液體中的聲壓振幅。

本發(fā)明有益效果如下：本發(fā)明提出的利用聲懸浮液滴測量液體中聲壓振幅的方法。測量過程中由于微小液滴粒徑遠(yuǎn)小于連續(xù)相液體中的波長，因此微小液滴對連續(xù)相液體中原有聲場分布的干擾可以忽略不計，使得測量結(jié)果更加準(zhǔn)確；該方法綜合考慮了液滴的懸浮位置與聲壓振幅的關(guān)系，使得測得的聲壓振幅更準(zhǔn)確；該方法可以測量腐蝕性連續(xù)相液體中的聲壓振幅，使得測量的適用性更強(qiáng)。本發(fā)明可以測得不同超聲電功率條件下連續(xù)相液體中聲壓振幅的大小，為連續(xù)相液體中聲壓振幅測量提供準(zhǔn)確性更好適用性更強(qiáng)的測量方法。

附圖說明

圖1為聲懸浮液滴測量液體中聲壓振幅的原理圖；

圖2為聲壓振幅測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(為了示意起見，將刻度繪于正前方，實(shí)際中刻度應(yīng)朝向鏡頭)；

其中1—高速攝像儀2—升降臺3—圖像采集計算機(jī)4—高頻功率計5—矩形槽體6—超聲波換能器7—光源8—高頻功率放大器9—信號發(fā)生器。

圖3為數(shù)據(jù)化液滴懸浮位置的示意圖；

圖4為不同超聲電功率下聲壓振幅反算值與測量值的對比圖。

具體實(shí)施方式

參見附圖2，一種利用聲懸浮液滴測量液體中聲壓振幅的方法所用到的設(shè)備，其特征在于包括由信號發(fā)生器9和高頻功率放大器8組成的超聲波發(fā)生部；由高頻功率計4和圖像采集計算機(jī)3組成的數(shù)據(jù)采集部；由高速攝像儀1、升降臺2、超聲波換能器6、矩形槽體5和光源7組成的測量部。

所述信號發(fā)生器9的輸出端連接于所述高頻功率放大器8的輸入端，通過設(shè)置信號發(fā)生器9中正弦信號的頻率來確定超聲波的頻率；所述高頻功率放大器8的輸出端正負(fù)極與所述超聲波換能器6的正負(fù)極相連，所述超聲波換能器6在所述高頻功率放大器8的激勵電壓下產(chǎn)生超聲波；所述超聲波換能器6與所述矩形槽體5之間通過粘結(jié)劑粘結(jié)在一起，所述超聲波換能器6產(chǎn)生的超聲波在所述矩形槽體5內(nèi)連續(xù)相液體中傳播，超聲波在傳播過程中遇到連續(xù)相液體與空氣的反射面后反射，輻射波與反射波在液體中發(fā)生干涉，產(chǎn)生超聲駐波場。

所述高頻功率計4用于測量和記錄所述高頻功率放大器8施加到所述超聲波換能器6上的超聲電功率；

所述高速攝像儀1安裝在所述升降臺2上，所述高速攝像儀1用于拍攝所述矩形槽體5中微小水滴的圖片，升降臺2用于調(diào)整高速攝像儀1與微小水滴的位置關(guān)系；所述光源7用于提供高速攝像儀1拍攝圖片所需的光強(qiáng)；所述矩形槽體5的前面板上標(biāo)有刻度線；測量前調(diào)整高速攝像儀1、矩形槽體5和光源7的中心線在同一條直線上。

所述圖像采集計算機(jī)3與高速攝像儀1連接，圖像采集計算機(jī)3用于記錄并存儲高速攝像儀1拍攝得到的圖片。

實(shí)施例

以二甲基硅油為連續(xù)液相，以水滴為微小的懸浮液滴，本發(fā)明聲壓振幅測量方法采用以下測量步驟：

步驟1，將二甲基硅油加入附圖2所述的透明矩形槽體5中，硅油液面距離聲輻射面的高度為一個波長λ(這里以20khz超聲波在二甲基硅油中的波長λ為例)，靜置10分鐘使硅油中的氣泡釋放出來以免影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果；

步驟2，使用量程為0.1μl-1μl的微量移液器向所述矩形槽體5中的硅油內(nèi)滴加微小水滴；

步驟3，設(shè)置所述信號發(fā)生器9的超聲波信號為20khz的正弦信號，所述高頻功率放大器8將所述信號發(fā)生器9產(chǎn)生的正弦小信號無失真的放大，經(jīng)所述高頻功率放大器8放大的信號施加在所述超聲波換能器6上，所述超聲波換能器6在正弦信號的激勵下將電信號轉(zhuǎn)換成超聲波輻射出去，由于連續(xù)相液面高度設(shè)置為一個波長λ，所述超聲波換能器6輻射出的超聲波在硅油與空氣的接觸面處發(fā)生反射，輻射波與反射波疊加形成駐波。所述加入連續(xù)相中的微小水滴將懸浮在駐波的壓力波節(jié)附近，通過調(diào)節(jié)高頻功率放大器8，改變施加在超聲波換能器6上的超聲電功率，使微小水滴恰好懸浮在硅油中，此時水滴受到的重力、浮力、聲場力恰好平衡。所述高頻功率計4實(shí)時顯示超聲電功率的大小，記錄高頻功率計4顯示的超聲電功率，記為最小懸浮電功率。

步驟4，打開所述光源7，調(diào)節(jié)升降臺2，使高速攝像儀1可以清晰拍攝到水滴的圖像，將拍攝到的水滴圖片記錄并存儲在所述圖像采集計算機(jī)3上，記為圖片1；保持所述升降臺2的高度不變，改變所述高速攝像儀1與所述矩形槽體5的相對位置，使所述矩形槽體5的前面板清晰的成像于圖像采集計算機(jī)3上，將拍攝到的圖片記錄并存儲在所述圖像采集計算機(jī)3上，記為圖片2。

步驟5，對所述圖像采集計算機(jī)3采集到的圖片1和2利用計算機(jī)圖像處理軟件imageproplus量化、計算，主要可以得出水滴在樣槽中的位置坐標(biāo)，具體操作方法如下。

如上述所述圖3所示，數(shù)據(jù)化水滴在樣槽中位置坐標(biāo)的方法包括如下操作：

(1)首先將水滴的圖片1和矩形槽體前面板圖片2利用計算機(jī)圖像處理軟件重疊在一起，合成圖片3；

(2)然后，利用計算機(jī)圖像處理軟件處理圖片3獲得水滴在圖像中的豎直位置，如上述所述附圖3中圖片3內(nèi)的黑色粗實(shí)線所示；

(3)最后，以矩形槽體前面板上的刻度線為參考，將水滴在圖像中的豎直位置換算成水滴在矩形槽體前面板上的投影位置坐標(biāo)，該位置水平線即為水滴懸浮的最低位置(理論上距離聲壓波節(jié)λ/8處)，將水滴懸浮的最低位置l’設(shè)置為豎直方向的零基準(zhǔn)線。

步驟6，增加所述高頻功率放大器8施加在超聲波換能器6上的超聲電功率，重復(fù)所述第四步和第五步中(1)、(2)的操作，得到水滴在圖像中的豎直位置后(如上述所述附圖3中圖片3內(nèi)的黑色粗虛線所示)，將液滴的位置坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成基準(zhǔn)線l’下的相對坐標(biāo)，得到施加不同超聲電功率條件下的水滴懸浮位置相對坐標(biāo)。

步驟7，將第六步中得到的其他超聲電功率下水滴的相對位置坐標(biāo)無量綱化，即所有坐標(biāo)均除以λ/8，將無量綱化的坐標(biāo)代入上述所述公式(1)中的z′，將表1中的連續(xù)相和液滴的物性數(shù)據(jù)代入上述所述公式(1)中相應(yīng)的參數(shù)，計算得到連續(xù)相中的聲壓振幅的大小。

表1為二甲基硅油與蒸餾水的物性數(shù)據(jù)表。

表1二甲基硅油與蒸餾水的物性數(shù)據(jù)表(20℃)

上述所述附圖4為相同懸浮位置處聲壓振幅的反算值與水聽器測量值的對比結(jié)果，從附圖中可以看出，理論公式反算得到的聲壓振幅大小與測量得到的聲壓振幅大小基本吻合，由此說明該測量方法可以較為準(zhǔn)確的測得不同超聲電功率下連續(xù)相液體中聲壓振幅的大小。

本發(fā)明提出一種利用聲懸浮液滴測量液體中聲壓振幅的測量方法，以液滴在連續(xù)相液體(如硅油中)的懸浮位置來測量施加不同超聲電功率時連續(xù)相液體中聲壓振幅的大小。測量過程中由于微小液滴粒徑遠(yuǎn)小于連續(xù)相液體中的波長，因此微小液滴對連續(xù)相液體中原有聲場分布的干擾可以忽略不計，使得測量結(jié)果更加準(zhǔn)確；該方法綜合考慮了液滴的懸浮位置與聲壓振幅的關(guān)系，使得測得的聲壓振幅更準(zhǔn)確；該方法可以測量腐蝕性連續(xù)相液體中的聲壓振幅，使得測量的適用性更強(qiáng)。本發(fā)明為連續(xù)相液體中聲壓振幅測量提供了準(zhǔn)確性更好適用性更強(qiáng)的測量方法。