微气泡发生电极和装置及气泡谐振频率的测量装置的制作方法

本发明涉及水声领域，尤其涉及微气泡谐振频率的测量领域。

背景技术：

气泡水的强色散、强非线性声学特性一直是人们感兴趣的课题，众所周知，液体中如果含有气泡，由于空气与液体的声阻抗及声压缩特性有着明显的不同，往往会导致媒质的声学特性发生改变，即声波在含气泡的液体中传播时，气泡的受迫振动会引起强烈的声衰减和色散等特性，并且由于振动的非线性，使得气泡产生的次级波不仅含有基波成分，而且还含有高级谐波。气泡共振会导致最强的声非线性，水声领域中以开始研究用来提高声参量阵的发射效率，工程中也用来检测气泡的存在和气泡的大小。

当含气泡液体中的气泡具有一定分布时，不同大小的气泡产生非线性效应的作用也不同，只有与声波倍频发生共振的气泡才起主要作用。所以不同浓度下含气泡液体的非线性参数，只有共振气泡这种尺寸大小的气泡才是主要贡献者。因此，要利用气泡存在条件下，水介质非线性参数的具体增加量，需要对其谐振频率进行测量。在1992年Wu和Zhu报道了关于水中含稳定、均匀大小气泡时的非线性声参量工作，表明水中气泡数目随平衡半径的变化近似为高斯分布。水介质中产生气泡后可改变其声学特性，气泡对声波在介质中传播具有很强的耗散和吸收性能，同时也可增强水介质的非线性参数。气泡的谐振频带范围对水声测量来说也是一个很关心的参数，因此，测量气泡发生器发射气泡的谐振频率是很重要的一步，当气泡的频率与发射声波的频率一致时，声波共振，此时，声衰减程度最大，由此，可以据此来寻找气泡的谐振频率，进而求得气泡的发射声频率。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种微气泡发生电极和装置及气泡谐振频率的测量装置，简化电解水产生气泡的装置，并且简化测量气泡谐振频率的装置。

为了解决上述问题，本发明提供了一种微气泡发生电极：微气泡发生电极包括：2n根导电棒、电源接口和绝缘板，所述2n根导电棒固定在绝缘板上，2n根导电棒通过电源接口交错与电源正、负极相连，每相邻2根导电棒组成1组导电回路，其中n为正整数。

为了解决上述问题，本发明还提供了一种微气泡发生装置：所述装置包括微气泡发生电极、发生池和直流电源， 所述微气泡发生电极设置在发生池底部中央位置；所述直流电源的电源电极与微气泡发生电极的电源接口相连。

为了解决上述问题，本发明还提供了一种微气泡谐振频率的测量装置：所述装置包括微气泡发生装置、发射声源、水听器和数据采集器；所述发射声源和水听器距所述微气泡发生装置的发生池底部距离相等，水听器的信号输出端与数据采集器的信号输入端相连接。

采用本发明的装置，可以完成水池中简易气泡发生装置的设计和谐振频率的测量。根据实际应用气泡浓度的不同，可以应用外部电源供给电压的大小不同来调节，还可以通过增加或减少导电棒的个数或排放方式，改变气泡的浓度，所述装置和方法简单，操作方便。

本发明的电极中所述2n根导电棒等长，等间距排列。

本发明测量装置中所述发射声源包括信号源和发射换能器，所述信号源的信号输出端与发射换能器的信号输入端相连接；所述发射换能器和水听器距所述微气泡发生装置的发生池底部距离相等。

本发明测量装置还包括功率放大器和测量放大器，所述功率放大器电连接在信号源和发射换能器之间；所述测量放大器电连接在水听器和数据采集器之间。

本发明上述测量装置还包括信号分析仪，信号分析仪的信号输入端分别与信号源的信号输出端及水听器的信号输出端相连接。本发明上述测量装置还包括计算机，所述计算机的信号输入端与数据采集器的信号输出端相连接。

附图说明

图1为微气泡发生电极的结构示意图；

图2为微气泡发生装置的结构示意图；

图3为微气泡谐振频率的测量装置的结构示意图；

图4为微气泡谐振频率的测量方法的流程图；

图5为气泡谢振频率测量结果曲线图；

图6为信号源发出频率的变化曲线；

图7是声波作用下液体中小气泡的机电类比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

如图1所示，微气泡发生电极1中绝缘板13，为固定导电棒11用，2n根导电棒11为等长的，导电棒11每隔一定距离固定在绝缘板13上，每根导电棒11穿过绝缘板13，用红色和蓝色的导电线作为电源接口12与导电棒11连接，2n根导电棒11通过电源接口12交错与电源正、负极相连，用于给导电棒11供电。

增加导电棒11的个数或排放方式，增加电棒的密度，可以是产生气泡的浓度加大，实际应用中，根据气泡浓度的要求，可以合理设计和改装。

如图2所示，微气泡发生电极1，放入发生池21中央，产生气泡的原理如下。利用稳压稳流电源，在电源接口12的正负电极之间加入直流电压，电解水的过程中产生 和气泡，与比重较小，随着气体的放出，与逐渐上浮，因而形成半径大小不同的气泡群，进而形成气泡幕，气泡在水介质中近似为正态分布。电极电解水的方程式为：

外加电极电压的大小会影响气泡的浓度，单位体积内气泡的上升速率。因此，外部供给电极电压的大小对于气泡浓度，大小也存在一定程度的影响。

微气泡谐振频率的测量原理如下：

根据声波在水中传播，当其发射频率与气泡谐振频率相同时，声波衰减最大的原理，利用水听器4将有无气泡存在条件下接收到的声波幅值做差，找到幅度差值最大处或者最大的某个范围内的比较大的差值频点或者范围，进而求得气泡的谐振频率范围，因为气泡在水介质中近似为正态分布，可气泡的谐振频率统计求出气泡群的平均半径。

如图4所示，微气泡谐振频率的测量方法利用接收声信号声波幅度差值的方法，找到气泡的谐振频率。

(一)信号源31发出频率连续调制的脉冲信号，利用发射换能器32每隔一定带宽△f 发射一定的频率，第一个发射声波的频率为f ，第二个发射声波的频率为f +△f ，第三个发射声波的频率为f +2△f …，第N个发射声波的频率为f +(N -1)△f 。在距发射换能器32一定距离处利用水听器4进行接收，信号通过测量法大器后，经过信号分析仪8分析接收信号是否正常，若正常则利用数据采集器5记录数据并传到计算机9，分别读取第一个发射信号在计算机9上显示的幅值A₁ ，第二个发射信号的接收幅值为A₂ ，第三个发射信号的接收幅值为A₃ …,则第N个发射信号的接收幅值为A_N 。

(二) 外部施加7V的直流电源22给导电棒11供电，看到发生池21中产生稳定的气泡层后，信号源31发出频率连续调制的脉冲信号，利用发射换能器32每隔一定带宽△f 发射一定的频率，第一个发射声波的频率为f ，第二个发射声波的频率为f +△f，第三个发射声波的频率为f +2△f …，第N 个发射声波的频率为f +(N-1)△f 。在距发射换能器32一定距离处利用水听器4进行接收，信号通过测量法大器后，经过信号分析仪8分析接收信号是否正常，若正常则利用数据采集器5记录数据并传到计算机9，分别读取第一个发射信号在计算机9上显示的幅值B₁ ，第二个发射信号的接收幅值为B₂ ，第三个发射信号的接收幅值为B₃ …，则第N个发射信号的接收幅值为B_N 。

(三) 作出(一)状态下，水听器4接收信号幅值与发射声波频率的关系曲线。

(四) 作出(二)状态下，水听器4接收信号幅值与发射声波频率的关系曲线。

(五) 作出有、无气泡状态下，气泡幅值差与发射声波频率的关系曲线。

(六) 从(五)作出的曲线寻找幅值降低最大值的频率点，此点就为气泡的谐振频率。

含气泡水特别是当气泡共振时的声衰减比纯水中大得多，所以本发明可以直接根据此原理获得气泡的谐振频率。

实施例

将本发明提供的装置应用于测量水介质产生的微气泡的谐振频率，具体如下：

微气泡发生电极1，导电棒11为不锈钢导电棒，所述导电棒11的直径为8mm，2n根导电棒11为等长的，长度为1米，绝缘板13为长方形的、长为0.5m，2n根导电棒11每隔2cm穿过绝缘板13，在绝缘板13另外一侧留出10cm的长度，正负极交错排列，绝缘板13两侧各用一个垫片和一个螺丝将导电棒11固定，用红色和蓝色的导电线与导电棒11连接作为电源接口12，用于给导电棒11供电。

微气泡发生装置2，发生池21为4m*3m*2m的消声水池，直流电源22采用DH 1718双路跟踪稳压稳流电源。

如图3所示，测量气泡谐振频率用到的仪器：1台2通道Tek 3102信号源31，用于给发射换能器32提供信号；一台B&K2713功率放大器6，用于对信号实行输出的功率放大；一只标准水听器B&K8101，接收指向性为183dB，用于接收水声信号；一台B&K2636测量放大器7，用于对接收的声信号在电压上放大；一台Tek 4034信号分析仪8，用于对发射信号、接收信号检测，看信号是否正常；一台多通道PULSE数据采集器5，用于对水听器4接收的信号采集；一台计算机9，用于监测时域波形，波形正常即将实验数据存储在计算机9硬盘中。

气泡谐振频率的测量：把电解水的电极放入发生池21底部，放置在发射换能器32与B&K8101接收水听器4之间，观测声波通过气泡层后声幅值的变化，寻找谐振频率点。测试之前保证发射换能器32，接收水听器4的声中心位于同一条直线上，发射换能器32与接收水听器4间距为186cm，接收水听器4的入水深度均为52cm，距池底18cm，微气泡发生电极1与发射换能器32间距为138cm，发射换能器32与池壁间距为18cm，测试过程中发射信号为CW脉冲，如图6所示，脉冲周期为100ms，35kHz信号的脉冲填充个数为50，测量放大器7调节至适当倍数后用Pulse进行数据采集。假设测试环境为各项同性的自由声场，声波在水池中球面扩展。

为正确区分到达水听器4的直达声与反射声，准确处理实验数据，将信号源31作为数据采集器5Pulse的外部触发源，保证在发射声信号的同时，Pulse采集到的第一个信号是直达声，这样就区分出直达信号与反射信号。

进行无气泡、有气泡时的衰减对照试验。发射连续单频信号，信号频率由10kHz至80kHz每隔10kHz变化，信号源31设置幅度峰峰值800mV。功率放大器6均旋转至60dB，测量放大器7调节至适当倍数后进行PULSE采集，无气泡时数据长度为120s，有气泡时数据长度为300s。各频率信号无气泡、有气泡时的功率统计如表1所示。

电解气泡的声衰减曲线如附图5所示。

气泡一般由气体通过小孔进入液层分散而成，小气泡不属于吸声材料，当水中有小气泡群时会存在明显的吸收和散射作用，声波通过这种小气泡群后，会产生很大的衰减。小气泡和谐振腔相似，在声波作用下均匀形变，它相当于一个弹性元件，机电类比图如图7所示。

等效弹性系数：，辐射声阻：，共振质量：，作用于小气泡的总压力：。其中，为气泡半径；是声波角频率；是波束；为介质中声速；为介质密度；是气泡表面积；是作用于气泡的压力；是气体等压比热和等容比热的比值，对标准状态下的空气来说，，是小气泡体积。由机电类比电路得到小气泡做受迫振动时的等效机械阻抗及小气泡的谐振频率关系：

为气泡半径，为声波原频率，为波数，为介质中的声速，为介质密度，是作用于气泡的压力，是气体等压比热和等容比热的比值，是气泡表面积。

对于水中的气泡，取，空气的，并设气泡在水面附近，则为1标准大气压，由此可得：，其中，的单位为cm。 当获得气泡的谐振频率后，通过此式还可获得气泡半径。

本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变形，这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。