《武汉工程大学学报》 2014年12期
72-74
出版日期：2014-12-31
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
簧片哨噪声功率谱密度分析
０ 引 言空化是一种在流体内产生的复杂现象．流体内的空化核在外部条件的影响下发生一种特殊的反应，空化泡会发生增大缩小的变化，当达到崩溃条件时，空化泡崩溃产生高温高压等常规方法很难产生的极端物理条件．产生空化的方法有压电超声换能器、磁致伸缩换能器等小处理量的方法，还有穿孔版、簧片哨及漩涡哨等水力空化产生的大处理量的方法［１－２］．声学的整体特点是应用领先于理论研究，实际应用很多，但由于学科特点的原因相关的理论研究相对较少，理论研究落后于实际应用．笔者对产生水力空化的装置簧片哨空化时产生的噪声谱进行分析研究，研究ＡＮＳＹＳ模拟振动频率与水听器测得的噪声谱之间的关系．１ 有限元分析软件模拟计算利用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ，模拟分析簧片振动问题，根据实验中所用簧片哨的属性，在ＡＮＳＹＳ软件中设置制造簧片所用材料不锈钢的弹性系数为２００ ０００ ＭＰａ，不锈钢的密度为７ ８６０ ｋｇ/ｍ３，不锈钢的泊松比为０．３．在建立模型后利用ＡＮＳＹＳ中的自由的四面体网格对所建立的簧片哨模型进行网格划分，然后利用ＡＮＳＹＳ软件进行模态分析及求解．模拟结果表明，实验所用簧片哨的前5阶振动频率分别为８ ０６７ Ｈｚ、１６ ３３７ Ｈｚ、２４ １５２ Ｈｚ、３２ ２９１ Ｈｚ、４１ ０８４ Ｈｚ．２ 簧片哨空化噪声功率谱密度的测量与分析在实验过程中利用水听器采集簧片哨产生空化时的噪声，利用数字示波器收集数据并利用ＯＲＩＧＩＮ软件分析示波器最终采集的数据［３－４］，得到不同水压下簧片哨产生的噪声功率谱密度分别如图１、图２、图３、图４、图５所示．图１ 水压为０．１５ ＭＰａ时的噪声功率谱密度Ｆｉｇ． １ Ｐｏｗｅｒ ａｓ ＭＳＡ ａｔ ０．１５ ＭＰａ ｗａｔｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ图２ 水压为０．２５ ＭＰａ时的噪声功率谱密度Ｆｉｇ． ２ Ｐｏｗｅｒ ａｓ ＭＳＡ ａｔ ０．２５ ＭＰａ ｗａｔｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ图３ 水压为０．３５ ＭＰａ时的噪声功率谱密度Ｆｉｇ． ３ Ｐｏｗｅｒ ａｓ ＭＳＡ ａｔ ０．３５ ＭＰａ ｗａｔｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ图 ４ 水压为０．４５ ＭＰａ时的噪声功率谱密度Ｆｉｇ． ４ Ｐｏｗｅｒ ａｓ ＭＳＡ ａｔ ０．４５ ＭＰａ ｗａｔｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ图 ５ 水压为０．５５ ＭＰａ时的噪声功率谱密度Ｆｉｇ． ５ Ｐｏｗｅｒ ａｓ ＭＳＡ ａｔ ０．５５ ＭＰａ ｗａｔｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ由图１可以看出，０．１５ ＭＰａ的水压太小，基本不能激起簧片哨的振动，噪声功率谱密度无明显的线状谱特点，功率谱密度数值也特别小，基本都在１０－２ Ｗ／Ｈｚ以下，大多数的功率谱密度甚至小于１０－３ Ｗ／Ｈｚ．在簧片哨空化降解应用的实验中也没有人将水压调到如此低，因为空化降解等实验结果表明此时基本没有明显的空化降解效果，通过图１显示的空化噪声功率谱也可以得出相同的结论．由图２可以看出，在０．２５ ＭＰａ的水压下，簧片哨开始明显振动，具有明显的线状谱特点，功率谱密度峰值对应的频率分别为７９０ Ｈｚ、１ ６３０ Ｈｚ、２ ４４０ Ｈｚ、３ ２６０ Ｈｚ、４ ０７０ Ｈｚ、４ ８９０ Ｈｚ、５ ７００ Ｈｚ、６ ６００ Ｈｚ、７ ３３０ Ｈｚ，峰值频率数值呈现明显的倍数关系，这就是振动问题中的基频与泛频的关系．此系列频率与ＡＮＳＹＳ模拟得到的前五阶振动频率８ ０６７ Ｈｚ、１ ６３３７ Ｈｚ、２４ １５２ Ｈｚ、３２ ２９１ Ｈｚ、４１ ０８４ Ｈｚ具有较好的符合性．噪声功率谱密度与图１ 比较有了很大的提高，最大值出现在１ ６３０ Ｈｚ时为０．８１１ ９ Ｗ／Ｈｚ，此时产生了一定的空化效果．图３表明在水压为０．３５ ＭＰａ时同样明显振动，同样具有明显的线状谱特点，功率谱密度峰值对应的频率分别为８１０ Ｈｚ、１ ６３０ Ｈｚ、２ ４５０ Ｈｚ、３ ２６０ Ｈｚ、４ ０７０ Ｈｚ、４ ８９０ Ｈｚ、５ ７００ Ｈｚ、６ ５２０ Ｈｚ、７ ３３０ Ｈｚ等，峰值频率数值呈现明显的倍数关系，且大部分峰值频率与水压为０．２５ ＭＰａ时相同，功率谱密度数值整体比０．２５ ＭＰａ水压时提高，最高值在１ ６３０ Ｈｚ时为０．８９５ ３ Ｗ／Ｈｚ．图４表明在水压为０．４５ ＭＰａ时功率谱密度峰值对应的频率分别为８００ Ｈｚ、１ ６００ Ｈｚ、２ ４００ Ｈｚ、３ ２１０ Ｈｚ、４ ０１０ Ｈｚ、４ ８１０ Ｈｚ、５ ４００ Ｈｚ、６ ４２０ Ｈｚ、７ ２３０ Ｈｚ等，其中高频的峰值频率在图中看并不明显，功率谱密度数值整体比０．３５ ＭＰａ水压时提高，最高值在１ ６００ Ｈｚ时为１．０２８ １ Ｗ／Ｈｚ．图５表明在水压为０．５５ ＭＰａ时功率谱密度峰值对应的频率分别为８００ Ｈｚ、１ ６００ Ｈｚ、２ ４１０ Ｈｚ、３ ２１０ Ｈｚ、 ４ ０１０ Ｈｚ、４ ８１０ Ｈｚ、５ ６１０ Ｈｚ、６ ４４０ Ｈｚ、７ ２４０ Ｈｚ等，其中高频的峰值频率在图中看也并不明显，功率谱密度数值整体比０．４５ ＭＰａ水压时反而下降，最高值在２ ４１０ Ｈｚ时为０．７６０ ２ Ｗ／Ｈｚ，但从整体来看功率谱密度比０．４５ ＭＰａ水压时的功率谱密度有明显提高. ３ 结 语ＡＮＳＹＳ模拟结果及实际测得的空化噪声功率谱密度表明，模拟得到的簧片哨振动频率与实验得出的空化噪声功率谱密度峰值频率具有很好的符合性，均为０．８ ｋＨｚ、 １．６ ｋＨｚ、２．４ ｋＨｚ、３．２ ｋＨｚ、４．０ ｋＨｚ、４．８ ｋＨｚ，最高峰值频率７ ｋＨｚ也仍然在可听声频率范围，并不是超声频率范围，由于簧片哨的结构及其工作时需要水流冲击的条件致使簧片哨并不能像压电超声换能器那样发生超声频率的超声波，图１～图５也能看出在高频段的峰值频率均不十分明显．在０．１５ ＭＰａ的较低水压下，簧片哨基本没有明显的振动，此时也没有明显的空化效应．随着簧片哨水压的提高，簧片哨逐渐开始振动，而且通过图１~图５所示的不同水压下的的空化噪声功率谱密度对应的峰值频率来看，不同水压下的振动频率基本一致，由此可以得出，簧片哨产生空化的原因在于簧片哨的簧片的振动，通过实验所用的不同水压下的空化噪声功率密度整体大小来看，随着水压的增加空化噪声功率密度增加，但由于实验条件限制没有进行更高水压的实验．本文对水力空化的装置簧片哨在其振动频率与空化噪声功率谱密度方面进行了研究，得出了一定的结论，簧片哨也可以加工成各种规格形状的，簧片哨中簧片的规格形状也是可以加工成多种多样的，因此不同的簧片哨也会产生不同的空化效果，需要对簧片哨进行更多的模拟分析研究及实验分析研究以便找出其规律性，为增强簧片哨的空化效果提高其空化利用提供一个理论基础．致 谢国家自然科学基金委员会提供了资金资助，符卫春同学在实验过程及数据分析过程中提供了帮助，在此一并致谢！