程　梅　 董　衛(wèi)　 喬正輝

(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院, 南京 210096)(東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過(guò)程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210096)

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結(jié)構(gòu)化的復(fù)合聲場(chǎng)及其操縱顆粒有效性的實(shí)驗(yàn)研究

程梅 董衛(wèi) 喬正輝

(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院, 南京 210096)(東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過(guò)程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210096)

基于裝置各部件固有頻率相等的方法,設(shè)計(jì)制作了一種在平面聲腔側(cè)壁離散對(duì)稱布置16極Helmholtz聲源的實(shí)驗(yàn)裝置,研究了平面聲腔內(nèi)由16極Helmholtz聲源構(gòu)造的復(fù)合聲場(chǎng)及其對(duì)顆粒的操縱特性.通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)研究了Helmholtz聲源的頻率特性、平面聲腔的諧振特性、平面聲腔內(nèi)復(fù)合聲場(chǎng)的時(shí)空變化特性以及復(fù)合聲場(chǎng)對(duì)平面聲腔內(nèi)充注的煙氣顆粒操縱的有效性.結(jié)果表明:運(yùn)行頻率為1.805 kHz時(shí),16極Helmholtz聲源耦合的平面聲腔能夠?qū)崿F(xiàn)同步諧振;平面聲腔內(nèi)形成了聲壓幅度逐漸衰減的環(huán)形復(fù)合聲場(chǎng);煙氣顆粒被聚集在靠近壁面約0.5個(gè)波長(zhǎng)的環(huán)形區(qū)域內(nèi),在平面聲腔的中部形成了無(wú)顆粒區(qū),顆粒聚集區(qū)與無(wú)顆粒區(qū)的面積比約為16∶9.

Helmholtz聲源;共振;復(fù)合聲場(chǎng);煙氣顆粒

駐波可以操縱氣相或液相介質(zhì)中微小顆粒產(chǎn)生有規(guī)律的變化.關(guān)于駐波聲場(chǎng)操縱顆粒行為的特性,國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了多方面的研究.Pathak等[1]針對(duì)聲場(chǎng)中顆粒的團(tuán)聚模型,模擬研究二氧化硅納米顆粒懸浮液在聲場(chǎng)中的團(tuán)聚特性.Noorpoor等[2]實(shí)驗(yàn)研究聲場(chǎng)脫除空氣中2.5 μm細(xì)顆粒的特性,指出高強(qiáng)度的單頻聲場(chǎng)對(duì)微米級(jí)顆粒的脫除效率有明顯提高作用.杜人君等[3]利用單軸式聲懸浮系統(tǒng)將環(huán)己烷液滴懸浮在半空,研究空氣中液滴的凝結(jié)特性.冷吟等[4]利用高速攝影儀實(shí)驗(yàn)表征可吸入顆粒物在駐波聲場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡.Greenhall等[5]采用聲場(chǎng)相變操控技術(shù)，在液體中利用駐波聲場(chǎng)對(duì)單個(gè)顆粒進(jìn)行自由連續(xù)控制.文獻(xiàn)[6-7]提出利用2極和4極Helmholtz聲源耦合諧振腔構(gòu)造聲場(chǎng),操縱有限空間內(nèi)煙氣顆粒的聚散性遷移.

在光學(xué)領(lǐng)域?qū)Y(jié)構(gòu)化光波已進(jìn)行了大量深入的研究,實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)能夠利用波的結(jié)構(gòu)技術(shù)控制結(jié)構(gòu)化光波的角動(dòng)量和徑向分布[8].借鑒結(jié)構(gòu)化光波的理念,本文利用平面聲腔等頻率耦合多極Helmholtz聲源的方法構(gòu)造了復(fù)合聲場(chǎng),即在平面聲腔內(nèi)經(jīng)多重聲波間的相互作用形成復(fù)合聲場(chǎng),并通過(guò)輸入端實(shí)現(xiàn)復(fù)合聲場(chǎng)的角動(dòng)量和徑向分布的調(diào)節(jié)與控制,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)顆粒的操縱.在實(shí)驗(yàn)中研究了該類型聲場(chǎng)對(duì)煙氣顆粒遷移行為的作用.通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn),重點(diǎn)研究單極和16極平面聲腔的諧振特性、Helmholtz聲源的頻率特性、平面聲腔內(nèi)徑向復(fù)合聲場(chǎng)的時(shí)空變化特性以及有或無(wú)復(fù)合聲場(chǎng)條件下煙氣顆粒在平面聲腔內(nèi)的分布.

1　實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)試系統(tǒng)

1.1實(shí)驗(yàn)裝置

如圖1所示,實(shí)驗(yàn)裝置水平放置,主要由平面聲腔和Helmholtz聲源組成.平面聲腔為封閉的正十六邊形柱形聲腔,側(cè)壁中心為通孔.正十六邊形的內(nèi)切、外接圓半徑MO和OP為平面聲腔的2類特征徑線,其中徑線MO表征靠近無(wú)反射壁的狀況,徑線OP表征反射壁接縫處反射率奇異的狀況.Helmholtz聲源由揚(yáng)聲器和圓柱形Helmholtz共振器組成;Helmholtz共振器由通孔、聲腔和揚(yáng)聲器振膜組成;揚(yáng)聲器為電磁式電聲換能器,直徑為40 mm,靜態(tài)電阻為6.7 Ω.整個(gè)裝置由圍繞平面聲腔中心、側(cè)壁上對(duì)稱布置16極的相同聲源構(gòu)成.Helmholtz共振器和平面聲腔由有機(jī)玻璃板制成,壁厚4.5 mm.平面聲腔高度為60 mm(沿z軸),小于λ/2(波長(zhǎng)λ=192 mm).x軸方向與徑線MO平行;2組等分點(diǎn)x2,x3,x4,x5和x7,x8,x9,x10分別沿徑線MO和OP布置;x1,x6,x11為徑線端點(diǎn).

(a) 復(fù)合聲場(chǎng)發(fā)生裝置　(b) Helmholtz聲源

在設(shè)計(jì)裝置各聲學(xué)部件的結(jié)構(gòu)尺寸時(shí),為了產(chǎn)生最大的聲壓,平面聲腔和Helmholtz聲源的結(jié)構(gòu)固有頻率滿足共振相似條件,表達(dá)式為[6]

(1)

式中,f0為Helmholtz共振器的共振頻率,本文中f0=1.805 kHz;D,n為平面聲腔的寬度和諧振階數(shù),本文中取D=480 mm,n=5;c為聲速,本文中c=346 m/s;de,le,dt和lt分別為通孔直徑、通孔長(zhǎng)度、聲腔直徑和聲腔長(zhǎng)度,分別取值為8.0,5.0,35.0和4.5 mm.

1.2實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試系統(tǒng)主要由信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、實(shí)驗(yàn)裝置、傳聲器和NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成.圖2為平面聲腔耦合16極聲源的實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng).

圖2　實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

信號(hào)發(fā)生器(型號(hào)SPF05)發(fā)出指定頻率的周期性電信號(hào),經(jīng)DS2000功率放大器后以同相方式輸入Helmholtz聲源的揚(yáng)聲器,揚(yáng)聲器振膜產(chǎn)生的聲波經(jīng)Helmholtz共振器進(jìn)入平面聲腔,在腔內(nèi)產(chǎn)生復(fù)合聲場(chǎng).聲場(chǎng)的測(cè)壓孔按照徑線MO和OP上的等分點(diǎn)和端點(diǎn)布置,2組測(cè)壓孔的間距分別為48.0,48.9 mm.用傳聲器(型號(hào)B&KMPA416)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(型號(hào)NIPXI-4472)同步采集各測(cè)壓孔的聲壓.利用電腦上Labview軟件對(duì)采集的聲壓數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和記錄.由于裝置結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,徑線MO和OP分別屬于正十六邊形的2類徑線,在測(cè)壓孔間距不大于λ/4的條件下,2類徑線上測(cè)壓孔的聲壓能夠表征平面聲腔內(nèi)的聲場(chǎng)分布.

2　模型分析

2.1Helmholtz聲源

2.1.1Helmholtz聲源電聲可調(diào)控性分析

由于Helmholtz聲源的結(jié)構(gòu)尺寸遠(yuǎn)小于聲波波長(zhǎng),結(jié)合聲學(xué)集中參數(shù)模型[9-10]和電磁式換能器聲電轉(zhuǎn)換模型[11]對(duì)Helmholtz聲源進(jìn)行回路分析,得到如圖3所示的等效類比電路.

圖3　Helmholtz聲源等效類比電路圖

由圖3等效類比電路可得Helmholtz聲源的等效電阻抗Zin的表達(dá)式為

Zin=Re+jωLe+

(2)

式中,Ze為揚(yáng)聲器音圈的等效電阻抗;Zmo為揚(yáng)聲器振膜的等效聲阻抗;Za為Helmholtz共振器的等效聲阻抗;ω為頻率；j2=-1.Helmholtz聲源的響應(yīng)系數(shù)p′為Ps與U0的比值,表達(dá)式為

(3)

由式(3)可知,響應(yīng)系數(shù)p′與輸入電信號(hào)頻率和Helmholtz聲源的物理參數(shù)有關(guān),這表明了出口聲壓Ps的可調(diào)屬性.

2.1.2Helmholtz聲源的聲學(xué)特性分析

當(dāng)揚(yáng)聲器發(fā)射的聲波進(jìn)入類比法布里-珀羅腔[12]的聲腔時(shí),將會(huì)產(chǎn)生聲波的反射、相干和多重循環(huán),所以聲腔內(nèi)的聲場(chǎng)屬于復(fù)合聲場(chǎng).類比界面上光的傳輸和反射[13],聲波在腔內(nèi)的傳播如圖4所示.圖中,lt為反射壁1和2之間的距離,E0為入射聲場(chǎng),Er為反射聲場(chǎng),Et為聲腔發(fā)射的聲場(chǎng),t1為聲腔內(nèi)循環(huán)聲場(chǎng)的傳輸率,t2為經(jīng)孔徑向腔外的聲輻射傳輸率,θ為聲波入射角.Ecir為2個(gè)壁面間的循環(huán)聲場(chǎng)即多重反射的回音效應(yīng).循環(huán)聲場(chǎng)Ecir表達(dá)式為[14]

Ecir=t1E0+ejγ(-r1)(-r2)Ecir

(4)

式中,ejγ表示傳播相位;r1,r2為2個(gè)壁面的反射率;γ為入射聲場(chǎng)通過(guò)聲腔往返循環(huán)聚集的相位.式(4)可簡(jiǎn)化為

(5)

圖4　Helmholtz聲腔聲傳播示意簡(jiǎn)圖

基于聲腔內(nèi)入射聲場(chǎng)的反射聲場(chǎng)和發(fā)射聲場(chǎng)的表達(dá)式為

(6a)

(6b)

腔內(nèi)組合的聲能可以通過(guò)Ecir的絕對(duì)值二次方計(jì)算得到,此時(shí)聲能組合因數(shù)為

(7)

聲輻射穿過(guò)聲腔與腔壁面的反射聲發(fā)生相位疊加重組,由式(7)可見(jiàn):當(dāng)cosγ=1,聲能組合因數(shù)達(dá)到最大值,即認(rèn)為聲腔發(fā)生共振;當(dāng)cosγ=-1,聲能組合因數(shù)達(dá)到最小值,即認(rèn)為聲腔發(fā)生反共振.由此可知,Helmholtz聲源具有與激光相似的單頻率共振與反共振的雙重屬性.

2.2平面聲腔中復(fù)合聲場(chǎng)的構(gòu)造

平面聲腔側(cè)壁離散對(duì)稱布置的16極Helmholtz聲源同時(shí)向平面聲腔中心發(fā)射相同聲波(見(jiàn)圖1(a)),考慮平面聲腔側(cè)壁對(duì)聲波的反射及多重反射的回音效應(yīng)[15-16],這些效應(yīng)相互交織重組,最終在平面聲腔的有限空間內(nèi)構(gòu)成特定的復(fù)合聲場(chǎng).

2.3輻射聲場(chǎng)對(duì)顆粒的作用

駐波環(huán)境中,滿足特定條件下顆粒會(huì)受到聲學(xué)輻射力的作用.當(dāng)顆粒的尺寸遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)時(shí),一旦顆粒的幾何結(jié)構(gòu)等效為可壓縮的球形,聲場(chǎng)對(duì)單一顆粒小球的聲學(xué)輻射力F0表達(dá)式為[17]

羅永衛(wèi)[9]在《廣西退役運(yùn)動(dòng)員就業(yè)安置政策執(zhí)行效果研究》中講到，廣東省在安置政策執(zhí)行中存在諸多問(wèn)題，包括就業(yè)渠道不暢、政策制定滯后與落實(shí)不到位、運(yùn)動(dòng)員缺乏職業(yè)生涯規(guī)劃等問(wèn)題。他希望通過(guò)發(fā)揮政府的主導(dǎo)作用，拓展多元化就業(yè)模式、以市場(chǎng)為導(dǎo)向，完善政策保障,實(shí)現(xiàn)退役運(yùn)動(dòng)員就業(yè)安置政策與市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的完美結(jié)合。

F0=-(2πA2Vcβwλ-1)ψ(β,ρ)sin(2kx)

(8a)

(8b)

式中,A為聲壓幅值;Vc為顆粒體積;β和ρ為可壓縮系數(shù)和密度；下標(biāo)c和w分別表示空氣媒介與顆粒;k為波數(shù);比例因子ψ與媒介和顆粒的可壓縮系數(shù)及密度有關(guān).當(dāng)ψ(β,ρ)>0時(shí),聲場(chǎng)對(duì)顆粒的聲學(xué)輻射力指向駐波波節(jié);當(dāng)ψ(β,ρ)<0時(shí),聲場(chǎng)對(duì)顆粒的聲學(xué)輻射力指向駐波波腹.

3　實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

3.1Helmholtz聲源的頻率特性

Helmholtz共振器作為一種聲學(xué)元件,其聲學(xué)參量Ma,Ra和Ca的表達(dá)式為[18]

(9a)

(9b)

(9c)

結(jié)合式(1)中Helmholtz共振器的尺寸參數(shù),利用式(9)計(jì)算Helmholtz共振器的各聲學(xué)參數(shù),其中ρw=1.205 kg/m3.實(shí)驗(yàn)[19]測(cè)得揚(yáng)聲器參數(shù)如下:Le=3.32×10-4H,Rmo=1.62×10-2Ω,Mmo=4.3×10-6kg,Cmo=2.09×10-3m/N和φ=0.412.

利用式(3)模擬Helmholtz聲源響應(yīng)系數(shù)隨輸入電信號(hào)頻率的變化曲線;同時(shí)向單極Helmholtz聲源輸入電壓有效值為0.13 V、頻率為0.8～2.4 kHz的正弦交流電信號(hào),得出聲源聲壓隨頻率的響應(yīng)規(guī)律,結(jié)果如圖5所示.由圖可知,響應(yīng)系數(shù)和聲壓的最大峰值都出現(xiàn)在1.805 kHz處,因而Helmholtz聲源的最佳諧振頻率在理論和實(shí)驗(yàn)上是一致的.

圖5　聲源頻率特性

3.2平面聲腔的諧振特性

測(cè)試時(shí),向耦合平面聲腔的任一單極Helmholtz聲源和全部16極Helmholtz聲源分別輸入電壓有效值為0.33 V、頻率為0.3～2.4 kHz的正弦交流電信號(hào).圖6為單極和16極聲源作用下平面聲腔內(nèi)徑線MO上各測(cè)試位置聲壓隨頻率變化的響應(yīng)特征.

(a) 單極聲源

(b) 16極聲源

由圖6(a)可知,單極聲源作用下各測(cè)試位置聲壓隨頻率的變化具有相似性,存在多個(gè)離散分布的峰值區(qū)域,峰值區(qū)域?qū)?yīng)頻率帶寬在各測(cè)試位置近似相同,平面聲腔的整個(gè)空間內(nèi)存在多個(gè)離散的諧振頻率.在頻率1.5～2.1 kHz對(duì)應(yīng)的峰值區(qū)域內(nèi),聲壓響應(yīng)峰值不具有唯一性,該區(qū)域內(nèi)的頻率帶寬明顯較其他峰值區(qū)域大,說(shuō)明該區(qū)域內(nèi)單極聲源作用下平面聲腔的諧振特征比較模糊,單極聲源輻射的聲波在平面聲腔內(nèi)激發(fā)的諧振特性不明顯.

由圖6(b)可知,16極聲源作用的平面聲腔僅在中心頻率為0.9,1.8 kHz的2個(gè)頻率區(qū)域產(chǎn)生2個(gè)孤立陡峭的聲壓尖峰,峰值區(qū)域集中,尖峰最小聲壓與單極聲源作用產(chǎn)生的最大聲壓一致,尖峰最大聲壓約是單極聲源的3.0(59.5/20≈3.0)倍.說(shuō)明在這2個(gè)頻率條件下,相比單極聲源，16極聲源作用下平面聲腔的諧振特性更強(qiáng)烈,16束輻射聲波在平面聲腔內(nèi)構(gòu)造了明顯的復(fù)合聲場(chǎng).平面聲腔在1.8 kHz頻率產(chǎn)生的響應(yīng)聲壓約是在0.9 kHz頻率產(chǎn)生聲壓的2.3(59.5/26≈2.3)倍.在測(cè)試諧振特性的頻率范圍內(nèi),裝置在頻率1.8 kHz處產(chǎn)生的聲壓最大,該頻率近似等于通過(guò)式(1)設(shè)計(jì)的理論頻率1.805 kHz.對(duì)比圖5和圖6(b)可知,平面聲腔和Helmholtz聲源的最佳諧振頻率基本一致,共振頻率均為1.805 kHz,裝置的2類聲學(xué)部件平面聲腔和Helmholtz聲源發(fā)生了最佳頻率耦合.

3.3平面聲腔內(nèi)聲場(chǎng)的時(shí)空分布

同時(shí)向16極Helmholtz聲源輸入電壓有效值為0.33 V,頻率分別為1.70,1.75,1.80,1.85和1.90 kHz的正弦交流電信號(hào),測(cè)試平面聲腔內(nèi)聲場(chǎng)的時(shí)間和位置分布特征,結(jié)果如圖7所示.

(a) 隨時(shí)間變化(徑線MO)　　　　(b) 隨時(shí)間變化(徑線OP)

(c) 隨位置變化(徑線MO)　　　　(d) 隨位置變化(徑線OP)

由圖7(a)和(b)可知,平面聲腔2類徑線上各測(cè)點(diǎn)的聲壓隨時(shí)間均呈正弦周期性變化.平面聲腔中心x6處的聲壓最高,位于強(qiáng)聲場(chǎng)區(qū)域;徑線MO上x(chóng)2,x4處和徑線OP上x(chóng)8,x10處的聲壓最低,位于弱聲場(chǎng)區(qū)域.徑線MO上,x1,x5,x6處的波動(dòng)相位近似相等,相差0相位;與x3,x4處波動(dòng)相位相反,相差π相位;與x2處波動(dòng)相位相差π/2.徑線OP上，x6,x7,x10處的波動(dòng)相位相同;與x8,x9處波動(dòng)相位相反.由此可知,在同一時(shí)間變化周期內(nèi),平面聲腔內(nèi)各位置聲壓波動(dòng)可以同時(shí)達(dá)到最大值或最小值.這種時(shí)間變化特征說(shuō)明16極聲源注入的聲場(chǎng)在相互作用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生同時(shí)增強(qiáng)或同時(shí)削弱的效果,這種特性有利于構(gòu)造穩(wěn)定的復(fù)合聲場(chǎng).

圖7(c)和(d)分別為在不同頻率時(shí)平面聲腔徑線MO和OP上的聲壓變化曲線.由圖可知,在1.80,1.85和1.90 kHz的頻率條件下,對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的3條聲壓變化曲線逐漸重合,測(cè)壓孔xi(i=1,2,…,11)越靠近壁面，曲線之間的差異性越大;1.80 kHz對(duì)應(yīng)的聲壓值曲線整體略高于其他2條聲壓值曲線,而1.75,1.70 kHz頻率產(chǎn)生的聲壓值明顯低于前3條曲線的聲壓值,說(shuō)明在各聲學(xué)部件耦合頻率1.80 kHz的諧振條件下,16極聲源激發(fā)平面聲腔產(chǎn)生的復(fù)合聲場(chǎng)起伏性最佳,聲場(chǎng)質(zhì)量最好.在2類徑線上,x2,x4,x8,x10的聲壓為極小值,處于曲線谷值;x3,x6,x9的聲壓為極大值,處于曲線峰值.

從平面聲腔中心到側(cè)壁面,2類徑線上聲壓逐漸起伏衰減,且徑線上到中心的距離相同時(shí)，聲壓近似相等.平面聲腔內(nèi)的復(fù)合聲場(chǎng)以腔心O為圓心在逐漸遠(yuǎn)離腔心方向形成近似等壓力圓環(huán)線的聲場(chǎng).圓環(huán)形聲場(chǎng)分布呈現(xiàn)中間聲壓力變化最強(qiáng),向周圍逐漸弛豫衰減趨勢(shì).這種聲場(chǎng)環(huán)形分布的起伏特性與文獻(xiàn)[20]利用16極直徑為10.98 mm的環(huán)形面聲源在液體媒介液面用2.45 MHz超聲波激發(fā)的表面駐波類似.由于液體和空氣物理特性的差異,點(diǎn)/面聲源向媒介輻射聲波的阻抗匹配存在明顯差異,液體/空氣媒介的聲學(xué)裝置不能互用.在忽略點(diǎn)/面聲源結(jié)構(gòu)、聲波頻率和媒介阻抗差異的條件下,本文實(shí)驗(yàn)得出的聲場(chǎng)空間分布結(jié)果與文獻(xiàn)[20]中利用貝塞爾函數(shù)模擬的聲場(chǎng)分布近似,說(shuō)明本文中由16極聲源疊加構(gòu)成的復(fù)合聲場(chǎng)可以用貝塞爾函數(shù)方法模擬.

3.4復(fù)合聲場(chǎng)操縱煙氣顆粒實(shí)驗(yàn)

Vranjes等[21]在分析能量密度梯度時(shí)指出:能量分布不均的流體中,粒子傾向于向低能態(tài)遷移或直接擴(kuò)散至低能量密度區(qū).有限空間內(nèi)能量分布形態(tài)反映出區(qū)域的內(nèi)部動(dòng)力學(xué)特征[22].

向密封平面聲腔內(nèi)注入煙草燃燒煙氣顆粒,煙氣體積為52.8 L.通過(guò)TSI9303粒子計(jì)數(shù)器測(cè)得煙氣中69%的顆粒粒徑不大于0.3 μm,31%的顆粒粒徑范圍為0.3～2.5 μm.無(wú)聲場(chǎng)作用時(shí),平面聲腔內(nèi)的煙氣在光束S1和S2下呈近似乳白色均勻分布(見(jiàn)圖8(a)).向16極Helmholtz聲源輸入電壓有效值為4.7 V、頻率為1.805 kHz的正弦交流電信號(hào),20 min后平面聲腔內(nèi)的煙氣分布如圖8(c)所示.

(a) 無(wú)聲場(chǎng)　　(b) 局部放大

(c) 有聲場(chǎng)

由3.3節(jié)可知,平面聲腔內(nèi)的復(fù)合聲場(chǎng)中中間聲場(chǎng)強(qiáng)度明顯高于邊緣,產(chǎn)生了復(fù)合密度梯度場(chǎng).根據(jù)式(8)可知,在密度梯度場(chǎng)的作用下,大量煙氣顆粒從靠近中心的強(qiáng)聲場(chǎng)區(qū)域向靠近邊緣的弱聲場(chǎng)區(qū)域遷移,最終聚集在靠近壁面的弱聲場(chǎng)環(huán)形區(qū)域內(nèi).從而導(dǎo)致聲腔中部煙氣顆粒分布稀薄,形成近似無(wú)顆粒區(qū).

由圖8(c)平面聲腔內(nèi)整體的聲能密度和煙氣顆粒密度分布表明,在復(fù)合聲場(chǎng)中,平面聲腔內(nèi)的煙氣顆粒產(chǎn)生了明顯的聚集分布.圖中,圓線l1,l2,l3界定了顆粒聚集分布區(qū)域的邊界,圓線l1(半徑r1≈3λ/4)內(nèi)部為無(wú)煙氣顆粒區(qū)域A1,圓環(huán)l2～圓環(huán)l3(寬度l2-3≈3λ/8)內(nèi)部為煙氣顆粒聚集區(qū),圓環(huán)l1～圓環(huán)l2(寬度l1-2≈λ/8)內(nèi)部為有或無(wú)煙氣顆粒的過(guò)渡區(qū),過(guò)渡區(qū)煙氣顆粒明顯少于外部顆粒聚集區(qū)而多于內(nèi)部無(wú)顆粒區(qū).相對(duì)無(wú)顆粒區(qū),煙氣顆粒聚集區(qū)和過(guò)渡區(qū)可劃為同一顆粒聚集區(qū)A2,位于圓環(huán)l1～圓環(huán)l3(寬度l1-3≈λ/2)內(nèi)部.區(qū)域A2和A1的面積分別為((5λ/4)2-(3λ/4)2)π≈1 157.5 cm2和(3λ/4)2π≈651 cm2,區(qū)域A2與A1的面積比約為16∶9.

在圓環(huán)l2～圓環(huán)l3呈現(xiàn)的白色煙氣顆粒聚集區(qū)內(nèi),圍繞壁面16極聲源形成以細(xì)窄暗條紋分割的16個(gè)近似孤立的煙氣顆粒聚集團(tuán).圖8(b)局部展示了煙氣顆粒聚集團(tuán)的具體結(jié)構(gòu).圖中的細(xì)窄暗條紋內(nèi)無(wú)煙氣顆粒,條紋位于2塊反射板的接縫處.

該實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了持續(xù)輸入的聲學(xué)輻射能量在平面聲腔的幾何中心聚集形成高密度聲場(chǎng),并同時(shí)沿徑向朝邊緣擴(kuò)展,從而構(gòu)成了聲場(chǎng)密度的幾何結(jié)構(gòu).此外,隨著聲場(chǎng)密度的擴(kuò)張,擠壓了煙氣顆粒存在的空間.在擴(kuò)張的聲學(xué)密度場(chǎng)作用下,煙氣顆粒聚集在聲場(chǎng)密度較低的空間,從而構(gòu)造了看似有結(jié)構(gòu)的聲場(chǎng)與煙氣顆粒密度分布.

4　結(jié)論

1) 利用共振相似條件設(shè)計(jì)裝置,各聲學(xué)部件能夠達(dá)到最佳頻率耦合.在信號(hào)頻率1.805 kHz的作用下,平面聲腔和Helmholtz聲源能夠產(chǎn)生同步諧振,通過(guò)輸入端可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合聲場(chǎng)的角動(dòng)量和徑向分布的調(diào)節(jié)與控制.

2) 空間對(duì)稱的16極Helmholtz聲源向平面聲腔內(nèi)發(fā)射的相同聲波經(jīng)交織重組后,形成中間聲場(chǎng)強(qiáng)度高、邊緣聲場(chǎng)強(qiáng)度低的環(huán)形復(fù)合聲場(chǎng).在裝置固有共振頻率附近,輸入信號(hào)的頻率小幅改變后,產(chǎn)生的復(fù)合聲場(chǎng)結(jié)構(gòu)能夠近似不變.

3) 與無(wú)聲場(chǎng)作用相比,煙氣顆粒在平面聲腔的復(fù)合聲場(chǎng)擠壓下,以環(huán)形方式聚集在聲腔邊緣.顆粒聚集區(qū)的面積約為1 157.5 cm2,無(wú)顆粒區(qū)的面積約為651 cm2,驗(yàn)證了復(fù)合聲場(chǎng)操縱煙氣顆粒的有效性.

References)

[1]Pathak B, Deepu P, Basu S, et al. Modeling of agglomeration inside a droplet with nanosuspensions in an acoustic field[J].InternationalJournalofHeat&MassTransfer, 2013, 59(2): 161-166.

[2]Noorpoor A R, Sadighzadeh A, Habibnejad H. Influence of acoustic waves on deposition and coagulation of fine particles[J].InternationalJournalofEnvironmentalResearch, 2013, 7(1): 131-138.

[3]杜人君,解文軍.聲懸浮條件下環(huán)己烷液滴的蒸發(fā)凝固[J].物理學(xué)報(bào),2011,60(11):394-399.

Du Renjun, Xie Wenjun. Evaporation induced solidification of cyclohexane drops under acoustic levitation condition[J].ActaPhysicaSinica, 2011, 60(11): 394-399. (in Chinese)

[4]冷吟,趙兵,姚剛,等.可吸入顆粒物在駐波聲場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的可視化研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2007,28(S1):209-212.

Leng Yin, Zhao Bing, Yao Gang, et al. Visualization research on inhalable particles in a standing wave acoustic field[J].JournalofEngineeringThermophysics, 2007, 28(S1): 209-212. (in Chinese)

[5]Greenhall J, Vasquez F G, Raeymaekers B. Continuous and unconstrained manipulation of micro-particles using phase-control of bulk acoustic waves[J].AppliedPhysicsLetters, 2013, 103(7): 0741037-01-0741037-04. DOI:10.1063/1.4819031.

[6]喬正輝,黃亞繼,董衛(wèi).對(duì)稱Helmholtz聲源圓柱形波導(dǎo)的聲學(xué)諧振特性[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,44(3):579-584. DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2014.03.023.

Qiao Zhenghui, Huang Yaji, Dong Wei. Acoustic resonance characteristics of symmetric cylindrical waveguide with Helmholtz sound source[J].JournalofSoutheastUniversity(NaturalScienceEdition), 2014, 44(3): 579-584. DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2014.03.023. (in Chinese)

[7]Qiao Z H, Huang Y J, Vincenzo N, et al. Aerosol manipulation by acoustic tunable phase-control at resonant frequency[J].PowderTechnology, 2015, 281: 76-82. DOI:10.1016/j.powtec.2015.04.081.

[8]Harris J, Grillo V, Mafakheri E, et al. Structured quantum waves[J].NaturePhysics, 2015, 11(8): 629-634. DOI:10.1038/nphys3404.

[9]王澤鋒,胡永明,孟洲,等.水下圓柱形Helmholtz共振器的聲學(xué)特性分析[J].物理學(xué)報(bào),2008,57(11):7022-7029.

Wang Zefeng, Hu Yongming, Meng Zhou, et al. Acoustic characteristics of underwater cylindrical Helmholtz resonator[J].ActaPhysicaSinica, 2008, 57(11): 7022-7029. (in Chinese)

[10]周城光,劉碧龍,李曉東,等.腔壁彈性對(duì)充水亥姆霍茲共振器聲學(xué)特性的影響:圓柱形腔等效集中參數(shù)模型[J].聲學(xué)學(xué)報(bào),2007,32(5):426-434. DOI:10.3321/j.issn:0371-0025.2007.05.006.

Zhou Chengguang, Liu Bilong, Li Xiaodong, et al. Effect of elastic cavity walls on acoustic characteristics of a water-filled Helmholtz resonator: equivalent lumped parameter model for cylindrical cavity[J].ActaAcoustic, 2007, 32(5): 426-434. DOI:10.3321/j.issn:0371-0025.2007.05.006. (in Chinese)

[11]姚麗,董衛(wèi),吳仲武.一種電磁式聲電換能器的特性研究[J].電聲技術(shù),2013,37(1):33-38. DOI:10.3969/j.issn.1002-8684.2013.01.008.Yao Li, Dong Wei, Wu Zhongwu. Characteristic research on electromagnetic acoustic-electric transducer[J].AudioEngineering, 2013, 37(1): 33-38. DOI:10.3969/j.issn.1002-8684.2013.01.008. (in Chinese)

[12]Song K, Kim K, Hur S, et al. Sound pressure level gain in an acoustic metamaterial cavity[J].ScientificReports, 2014, 4: 7421-01-7421-06. DOI:10.1038/srep07421.

[13]Shantanu D, Sougata C, Amitesh K, et al. A new mechanics of corpuscular-wave transport of momentum and energy inside negative indexed material[J].FundamentalJournalofModernPhysics, 2011, 1(2): 223-246.

[14]Jason S P. Radiation pressure effects in a suspended Fabry-Perot cavity[D]. Cambridge, Massachusetts, USA: Massachusetts Institute of Technology, 2006.

[15]Panigrahi R, Srivastava S K. Trapping of microwave radiation in hollow polypyrrole microsphere through enhanced internal reflection: A novel approach[J].ScientificReports, 2015, 5: 7638-01-7638-10. DOI:10.1038/srep07638.

[16]van Duong T, Chen R, Sun H D. Tuning whispering gallery mode lasing from self-assembled polymer droplets[J].ScientificReports, 2013, 3: 1362-01-1362-05. DOI:10.1038/srep01362.

[17]Skotis G D, Cumming D R S, Roberts J N, et al. Dynamic acoustic field activated cell separation[J].LabonaChip, 2015, 15(3): 802-810. DOI:10.1039/c4lc01153h.

[18]馬大猷.亥姆霍茲共鳴器[J].聲學(xué)技術(shù),2002,21(1/2):2-3.

Ma Dayou. Helmholtz resonator[J].TechnicalAcoustic, 2002, 21(1/2): 2-3. (in Chinese)

[19]馬大猷.聲學(xué)手冊(cè)[M].修訂版.北京:科學(xué)出版社,1983:288-289.

[20]Courtney C R P, Drinkwater B W, Demore C E M, et al. Dexterous manipulation of microparticles using Bessel-function acoustic pressure fields[J].AppliedPhysicsLetters, 2013, 102: 12350812-01-12350812-05. DOI:10.1063/1.4798584.

[21]Vranjes J, Kono M. Energy in density gradient[J].PhysicsofPlasmas, 2015, 22: 0121051-01-0121051-06.

[22]Kim T H, Yoon J, Baek S H, et al. Energy landscape scheme for an intuitive understanding of complex domain dynamics in ferroelectric thin films[J].ScientificReports, 2015, 5: 11625-01-11625-10.

Experimental study on structured complex acoustic field and its effectiveness of particle manipulation

Cheng Mei Dong Wei Qiao Zhenghui

(School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China)(Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China)

Based on the method with equal natural frequencies for all equipment components, an experimental device symmetrically and discretely distributed by 16 Helmholtz sound sources (HSSs) on the sidewall of a planar acoustic cavity was designed and fabricated. The complex acoustic field created by 16 HSSs in the cavity and its manipulation on particle were studied. The frequency characteristics of HSS, the resonance of planar acoustic cavity, the time-space variation feature of acoustic field and its manipulating effectiveness on filling smoke particles in planar acoustic cavity were theoretically and experimentally researched. The results show that the synchronization resonance of planar acoustic cavity coupled to 16 HSSs occurs at the working frequency 1.805 kHz. An amplitude-decaying annular complex acoustic field is generated in planar acoustic cavity. Smoke particles are gathered in the annular region about 0.5 a wavelength near the wall. There forms a particle-free zone in cavity central, and the area ratio of particle clusters to no particles is about 16∶9.

Helmholtz sound source; resonance; complex acoustic field; smoke particles

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.04.008

2015-11-01.作者簡(jiǎn)介: 程梅(1990—)，女，碩士生；董衛(wèi)(聯(lián)系人)，男，博士，教授，dongwei59@seu.edu.cn.

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(3203005101)、江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目(KYLX15_0069).

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.04.008.

TK09

A

1001-0505(2016)04-0720-07

引用本文: 程梅,董衛(wèi),喬正輝.結(jié)構(gòu)化的復(fù)合聲場(chǎng)及其操縱顆粒有效性的實(shí)驗(yàn)研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,46(4):720-726.