聲化學能量測量儀的研究

孔亞廣 徐 濤

(杭州電子科技大學自動化學院，杭州 310018)

在當今超聲波聲化學應用領域，因為理論研究和實際應用的需要，人們一直在研究超聲能量(以下簡稱聲強)的測量方法。在聲化學中，聲強值和聲場分布對研究超聲波對反應釜中物體的空化作用具有非常重要的價值。

目前測量聲強比較常用的方法是水聽器法[1]，采用的傳感器是水聽器。水聽器是一種相對靈敏的傳感器，它可將聲場中某點處的瞬時聲壓信號轉換成電壓信號，再將此信號送到外圍電路進行處理并通過CPU計算出聲強值。另外一種方法是壓差法[2]，其測量原理是：通過U型壓差計測出聲輻射壓強，再結合聲速進行換算得到聲強值。壓差法測量裝置由超聲波發生器、換能器、三維定位儀和U型微差計組成。目前，聲強測量的主要難題是沒有合適的傳感器能準確測量質點振速[3，4]。

筆者利用壓電傳感器將超聲輻射各個場點的聲波所產生的瞬時聲壓信號經過壓電傳感器轉換成電壓信號[5]，再經過二階高通濾波器濾波后進入聲強測量儀，經聲強測量儀進行數據處理后得到實時聲強值。

1 系統總體設計方案①

1.1 總體架構描述

根據文獻[1，2]所述，在誤差精度要求不高的情況下用水聽器測量時，在平面波的作用下其聲壓平方與聲強值呈正比例關系，筆者基于壓電傳感器原理，將聲壓信號等比例轉換為電壓信號，從而可得I=KU2，其中，K為標定系數，與介質密度、介質中超聲傳播速度和傳感器特性相關；U為傳感器端的電壓值。為此，所設計的聲強測量儀接收從傳感器轉換而來的電壓信號，然后外接截止頻率10kHz的二階高通濾波器，依次經過整流、放大、濾波，最后進入A/D，由單片機對數據進行分析處理，并實時顯示。

1.2 硬件架構圖

如圖1所示，聲強測量儀采用的主控芯片為STC12C5628AD，自帶8位10路的A/D采樣，液晶采用12864(點陣顯示)；采樣芯片是LM358，經

圖1 聲強測量儀硬件結構

放大的信號再經過二階濾波進入單片機，外部9V電池經過LM2596-5V降壓到5V給芯片供電，k1、k2是兩個外部中斷按鍵。

1.3 軟件工作流程

聲強測量儀軟件工作流程如圖2所示，對從A/D口采集的電壓信號進行濾波處理后，利用聲強公式計算實時聲強值。設定定時器0中斷優先級最高，通過外部中斷按鍵k1、k2進行參數K的標定?？赏ㄟ^串口將實時聲強值傳遞給上位機，并接收上位機傳來的對標定參數K的設定。

2 硬件電路

2.1 供電

如圖3所示，本聲強測量儀采用外部的9V電池供電，然后經LM2596-5V的電源芯片將9V電壓轉換成5V給STC12C5628AD和運放LM358供電。電路中并聯多個值為0.1μF電容是為了濾除干擾信號，尤其是高頻干擾[6]。

2.2 電池電量檢測

如圖4所示，A端口是電池正極輸入，P1^1連接單片機A/D口。采用兩個10kΩ電阻進行分壓以保證單片機引腳輸入電壓最大不超過5.5V，然后將電池電量采用圖形格式顯示在12864液晶屏右上方。

圖2 聲強測量儀軟件工作流程

圖3 9V轉5V電路

圖4 電池電量檢測電路

2.3 外部信號的整流放大

如圖5所示，LM358是雙運放，筆者只用其中一個運放，但是另外一個運放不懸空[7]。P3是壓電傳感器的輸入端，經過二極管整流，然后經過LM358運放放大。查看芯片手冊可知，LM358可單電源供電范圍是(3，30)V，輸出電壓擺幅是(0，Vcc-1.5)V，單位增益頻帶寬接近1MHz，筆者所研發的聲強測量儀檢測的頻率范圍是15～100kHz，所以選擇該運放在理論上符合要求。

圖5 外部信號的整流放大電路

2.4 串口通信

聲強測量儀通過PL2303芯片組成的串口電路與上位機進行通信(圖6)[8]，可將實時聲強值發送到上位機，并接收上位機對系數K的設定。

圖6 USB轉串口電路

3 實驗測試數據

實驗一，準備一臺函數信號發生器，用聲強測量儀分別測試在20、28、40、60kHz頻率下，峰值分別為1.4、1.6、1.8、2.0、2.2、2.4、3.0、3.2V時的聲強值，結果如圖7所示。

從圖7可知，在函數發生器產生的標準信號下，在同一頻率下，輸入信號強度與聲強值呈線性關系。不同頻率，相同的信號幅值，聲強值不同，這說明聲強值不僅與信號幅值相關，還與信號頻率相關。

實驗二，準備一臺超聲波發生器，柱形九節鞭式大功率超聲換能器，功率表和一個直徑30cm、高度1.2m、厚度0.5cm的超聲消音制作的水桶。 將塑料桶里裝滿去氣的蒸餾水，啟動超聲發生器驅動大功率超聲換能器工作。理論上在超聲換能器對稱的兩個位置處的聲強值是基本相同的，本實驗采用參數一致的壓電傳感器分別插在大功率換能器的水下對稱位置，用兩臺配置相同的聲強測量儀分別測試兩點的聲強，并記錄不同超聲功率下的聲強值，結果如圖8所示。設備1、設備2代表兩臺配置相同的聲強測量儀。

圖7 不同峰值下的聲強值

圖8 不同功率下的聲強值

從圖8可知，筆者所設計的聲強測量系統測量的聲強值與超聲發生器的輸出功率呈正比例關系，且對稱兩點處的聲強值也基本一致，與理論相符。

實驗三，在實驗二條件的基礎上，超聲波發生器的功率輸出分別為500、600W，將壓電傳感器固定在水桶中的一點，測量一段時間內該點處的聲強。通過安捷倫示波器對壓電傳感器的輸出信號進行采樣，并進行頻譜分析。將頻譜幅值與文中所示的聲強測量儀的測量結果進行比較分析，不同功率下的頻譜圖如圖9所示。

圖9 不同功率下的頻譜圖

由圖9可知，在500W功率下，得到的3組聲強平均值分別為0.204、0.233、0.232W/cm2，平均聲強值為0.223W/cm2。對圖8采用最小二乘法可得到優化后的標定系數值。經標定后，得到采用聲強測量儀測得的聲強值是0.219W/cm2，誤差是0.9%。在600W功率下，得到的3組聲強平均值分別為0.360、0.370、0.359W/cm2，平均聲強值為0.363W/cm2。采用同樣的標定系數，使用筆者所研制的聲強測量儀測量得到的聲強值是0.365 W/cm2，誤差為0.6%。

分析導致上述誤差的主要原因如下：換能器本身的非線性使得其傳遞到聲場中的聲功率并不是隨著輸入電功率的增加而線性增加的，當輸入功率達到一定程度時，換能器可能已經達到飽和狀態了；由于負載水溫的升高會對傳感器精度造成影響，影響精度；由于超聲電源輸出功率也存在一定的精度，對結果也有一定的影響，此外水桶表面的回波對聲強場也會產生干擾。

綜上所述，在上述條件下測試兩個特定功率(500、600W)下的聲強值與理論計算的聲強值進行對比，誤差在容許范圍內。并且該設備測試方法簡單，符合工程實際應用。

4 結束語

筆者基于壓電傳感器，研究開發了一款超聲聲強測量儀表，頻率范圍可達到15～100kHz，相比其他聲強測量設備，擴大了頻率范圍，并且該設備結構簡單、易于使用，適用于測量超聲清洗機的清洗效果。但由于筆者是采用單壓電傳感器進行聲強測量，沒有對質點振動速度進行直接檢測，因此其測量精度相對偏低，今后應研究在雙壓電傳感器或壓電傳感器與振動速度傳感器相結合的聲強測量方法，以提高檢測精度。

[1] 杜江齊.基于水聽器的超聲聲場分布測量研究[D].杭州：中國計量學院，2012.

[2] 葉國祥，呂效平，韓萍芳，等.壓差法測量超聲波聲強[J].南京工業大學學報(自然科學版)，2007，29(3)：51～53.

[3] 劉勛，相敬林，周越.聲強度的測量及其應用[J].聲學技術，2000，19(2)：95～97，100.

[4] 劉星，時勝國，戰國辰，等.水下聲強測量技術在近場測量中的應用研究[J].哈爾濱工程大學學報，2002，23(1)：95～98.

[5] 陳張平.超聲波換能器特性分析及其電源設計[D].浙江：杭州電子科技大學，2013.

[6] 楊玉強.濾波電容選取的深入研究[J].遼寧工學院學報，2006，26(2)：127～129.

[7] Carter B，Mancini R.運算放大器權威指南[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[8] 席東河，馬磊娟，杜娟.單片機串口通信的調試方法與技術[J].武漢職業技術學院學報，2010，9(3)：75～78.