[发明专利]一种熔体超声空化强度计算方法及系统

说明书

本发明公开了一种熔体超声空化强度计算方法及系统。该方法包括：对空化噪声做傅里叶变换，得到频谱图；所述空化噪声为功率超声施加于金属熔体时产生的声信号；所述空化噪声包括驱动噪声、稳态空化噪声和瞬态空化噪声；基于所述频谱图确定所述驱动噪声以及稳态空化噪声在频域上的中心频率；基于傅里叶变换后的空化噪声总能量、驱动噪声中心频率以及稳态空化噪声中心频率分别计算驱动噪声频域能量、稳态空化噪声频域能量以及瞬态空化噪声频域能量；基于傅里叶变换后的空化噪声总能量、所述驱动噪声频域能量、所述稳态空化噪声频域能量以及所述瞬态空化噪声频域能量，计算用于表征空化强度的能量比值。本发明普适性强、可准确描述超声空化强度的表征。

技术领域

本发明涉先进材料制备及加工技术领域，特别是涉及一种熔体超声空化强度计算方法及系统。

背景技术

在金属及合金凝固、化学反应、表面清洁过程中施加振动是改善其组织结构、调控化学反应过程、增强清洗效果最有效的方法之一。常规机械振动因存在振动频率低、能量密度受限、振动过程不易控制等问题，而逐渐被功率超声所取代。功率超声是物体超高机械振动能量的传播形式，具有频率高、功率密度大、束射性和方向性良好等显著物理特性，与液体、金属或合金熔体相互作用时存在压力场、热效应、声空化和声流等一系列非线性超声效应，显著影响晶体的形核和长大、晶粒的细化和粗化、溶质的扩散、固相粒子的弥散、熔体的流动、空化泡的运动等，表现出晶粒细化、组织均匀化与净化等宏观效果，可大大提高金属凝固、化学反应与表面清洁的性能与效果。

在上述过程中，超声空化强度直接决定了功率超声施加所获得的性能提升程度，是描述超声空化场的关键参数，也是开展金属凝固、化学反应调控、表面清洁中功率超声作用机理这一基础科学问题的重要参数。因此，建立描述超声空化场强弱的方法，即超声空化强度表征，对于超声空化场作用机理研究工作的开展至关重要。

相应的，目前超声空化强度表征常用形式及其局限性为：(1)以超声导入装置消耗的所消耗的电功率为表征方法，该方式与超声导入装置的具体结构、具体电路、超声换能器、变幅杆、施加方式等密切相关，即便是同一批装置，也会由于电子元器件、换能器之间的差异导致测量结果大相径庭，普适性差； (2)以空蚀法、化学反应法、声致发光法为代表的间接测量法，这类方法一般对被测环境要求比较严格，如化学反应法、空蚀法均要求被测环境为常温状态，声致发光法要求被测环境为透明状态等；(3)以水听器测量得到的超声空噪声信号的时域总能量为表征方法，该方式普适性较好，但空化场辐射声信号的时域总能量中同时包含了换能器噪声、稳态空化噪声、瞬态空化噪声三部分噪声的分能量。其中，换能器噪声与超声换能器状态、溶液声阻抗、电声转换效率有关，与空化效应无关，不应计入超声空化场强度，同时，稳态空化和瞬态空化所造成的物理效应完全不同，将二者相加无法准确表征空化强度；(3) 以超声空化噪声信号中的某些分量的频域能量为表征方法，该方法通过测量空化噪声中基频、基频谐波与超谐波等线状谱分量的能量来实现空化强度的表征，但空化泡振动与溃灭时除了产生超谐波信号之外，通常还伴有强烈的宽带噪声，在频域上表现为可达MHz级的宽带连续谱信号，该方法忽略了这一分量的能量，其表征方法并不完善。

鉴于现有超声空化强度表征方法存在普适性差、无法准确反应空化场大小的现状，研发普适性强、可准确描述超声空化强度的表征方法成为当务之急。

发明内容

基于此，本发明的目的是提供一种熔体超声空化强度计算方法及系统。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种熔体超声空化强度计算方法，包括：

对空化噪声做傅里叶变换，得到频谱图；所述空化噪声为功率超声施加于金属熔体时产生的声信号；所述空化噪声包括驱动噪声、稳态空化噪声和瞬态空化噪声；

基于所述频谱图确定所述驱动噪声以及稳态空化噪声在频域上的中心频率；