[發明專利]一種熔體超聲空化強度計算方法及系統

有效

• 申請號: 202110710107.5
• 申請日: 2021-06-25
• 公開（公告）號: CN113312797B
• 公開（公告）日: 2022-11-25
• 發明（設計）人: 于洋;王建元;翟薇;徐楠軒;魏炳波
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F17/14;G06F119/10
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 王愛濤

本發明公開了一種熔體超聲空化強度計算方法及系統。該方法包括：對空化噪聲做傅里葉變換，得到頻譜圖；所述空化噪聲為功率超聲施加于金屬熔體時產生的聲信號；所述空化噪聲包括驅動噪聲、穩態空化噪聲和瞬態空化噪聲；基于所述頻譜圖確定所述驅動噪聲以及穩態空化噪聲在頻域上的中心頻率；基于傅里葉變換后的空化噪聲總能量、驅動噪聲中心頻率以及穩態空化噪聲中心頻率分別計算驅動噪聲頻域能量、穩態空化噪聲頻域能量以及瞬態空化噪聲頻域能量；基于傅里葉變換后的空化噪聲總能量、所述驅動噪聲頻域能量、所述穩態空化噪聲頻域能量以及所述瞬態空化噪聲頻域能量，計算用于表征空化強度的能量比值。本發明普適性強、可準確描述超聲空化強度的表征。

技術領域

本發明涉先進材料制備及加工技術領域，特別是涉及一種熔體超聲空化強度計算方法及系統。

背景技術

在金屬及合金凝固、化學反應、表面清潔過程中施加振動是改善其組織結構、調控化學反應過程、增強清洗效果最有效的方法之一。常規機械振動因存在振動頻率低、能量密度受限、振動過程不易控制等問題，而逐漸被功率超聲所取代。功率超聲是物體超高機械振動能量的傳播形式，具有頻率高、功率密度大、束射性和方向性良好等顯著物理特性，與液體、金屬或合金熔體相互作用時存在壓力場、熱效應、聲空化和聲流等一系列非線性超聲效應，顯著影響晶體的形核和長大、晶粒的細化和粗化、溶質的擴散、固相粒子的彌散、熔體的流動、空化泡的運動等，表現出晶粒細化、組織均勻化與凈化等宏觀效果，可大大提高金屬凝固、化學反應與表面清潔的性能與效果。

在上述過程中，超聲空化強度直接決定了功率超聲施加所獲得的性能提升程度，是描述超聲空化場的關鍵參數，也是開展金屬凝固、化學反應調控、表面清潔中功率超聲作用機理這一基礎科學問題的重要參數。因此，建立描述超聲空化場強弱的方法，即超聲空化強度表征，對于超聲空化場作用機理研究工作的開展至關重要。

相應的，目前超聲空化強度表征常用形式及其局限性為：(1)以超聲導入裝置消耗的所消耗的電功率為表征方法，該方式與超聲導入裝置的具體結構、具體電路、超聲換能器、變幅桿、施加方式等密切相關，即便是同一批裝置，也會由于電子元器件、換能器之間的差異導致測量結果大相徑庭，普適性差； (2)以空蝕法、化學反應法、聲致發光法為代表的間接測量法，這類方法一般對被測環境要求比較嚴格，如化學反應法、空蝕法均要求被測環境為常溫狀態，聲致發光法要求被測環境為透明狀態等；(3)以水聽器測量得到的超聲空噪聲信號的時域總能量為表征方法，該方式普適性較好，但空化場輻射聲信號的時域總能量中同時包含了換能器噪聲、穩態空化噪聲、瞬態空化噪聲三部分噪聲的分能量。其中，換能器噪聲與超聲換能器狀態、溶液聲阻抗、電聲轉換效率有關，與空化效應無關，不應計入超聲空化場強度，同時，穩態空化和瞬態空化所造成的物理效應完全不同，將二者相加無法準確表征空化強度；(3) 以超聲空化噪聲信號中的某些分量的頻域能量為表征方法，該方法通過測量空化噪聲中基頻、基頻諧波與超諧波等線狀譜分量的能量來實現空化強度的表征，但空化泡振動與潰滅時除了產生超諧波信號之外，通常還伴有強烈的寬帶噪聲，在頻域上表現為可達MHz級的寬帶連續譜信號，該方法忽略了這一分量的能量，其表征方法并不完善。

鑒于現有超聲空化強度表征方法存在普適性差、無法準確反應空化場大小的現狀，研發普適性強、可準確描述超聲空化強度的表征方法成為當務之急。

發明內容

基于此，本發明的目的是提供一種熔體超聲空化強度計算方法及系統。

為實現上述目的，本發明提供了如下方案：

一種熔體超聲空化強度計算方法，包括：

對空化噪聲做傅里葉變換，得到頻譜圖；所述空化噪聲為功率超聲施加于金屬熔體時產生的聲信號；所述空化噪聲包括驅動噪聲、穩態空化噪聲和瞬態空化噪聲；

基于所述頻譜圖確定所述驅動噪聲以及穩態空化噪聲在頻域上的中心頻率；