声化学能量测量仪的研究

孔亚广 徐 涛

(杭州电子科技大学自动化学院，杭州 310018)

在当今超声波声化学应用领域，因为理论研究和实际应用的需要，人们一直在研究超声能量(以下简称声强)的测量方法。在声化学中，声强值和声场分布对研究超声波对反应釜中物体的空化作用具有非常重要的价值。

目前测量声强比较常用的方法是水听器法[1]，采用的传感器是水听器。水听器是一种相对灵敏的传感器，它可将声场中某点处的瞬时声压信号转换成电压信号，再将此信号送到外围电路进行处理并通过CPU计算出声强值。另外一种方法是压差法[2]，其测量原理是：通过U型压差计测出声辐射压强，再结合声速进行换算得到声强值。压差法测量装置由超声波发生器、换能器、三维定位仪和U型微差计组成。目前，声强测量的主要难题是没有合适的传感器能准确测量质点振速[3，4]。

笔者利用压电传感器将超声辐射各个场点的声波所产生的瞬时声压信号经过压电传感器转换成电压信号[5]，再经过二阶高通滤波器滤波后进入声强测量仪，经声强测量仪进行数据处理后得到实时声强值。

1 系统总体设计方案①

1.1 总体架构描述

根据文献[1，2]所述，在误差精度要求不高的情况下用水听器测量时，在平面波的作用下其声压平方与声强值呈正比例关系，笔者基于压电传感器原理，将声压信号等比例转换为电压信号，从而可得I=KU2，其中，K为标定系数，与介质密度、介质中超声传播速度和传感器特性相关；U为传感器端的电压值。为此，所设计的声强测量仪接收从传感器转换而来的电压信号，然后外接截止频率10kHz的二阶高通滤波器，依次经过整流、放大、滤波，最后进入A/D，由单片机对数据进行分析处理，并实时显示。

1.2 硬件架构图

如图1所示，声强测量仪采用的主控芯片为STC12C5628AD，自带8位10路的A/D采样，液晶采用12864(点阵显示)；采样芯片是LM358，经

图1 声强测量仪硬件结构

放大的信号再经过二阶滤波进入单片机，外部9V电池经过LM2596-5V降压到5V给芯片供电，k1、k2是两个外部中断按键。

1.3 软件工作流程

声强测量仪软件工作流程如图2所示，对从A/D口采集的电压信号进行滤波处理后，利用声强公式计算实时声强值。设定定时器0中断优先级最高，通过外部中断按键k1、k2进行参数K的标定。可通过串口将实时声强值传递给上位机，并接收上位机传来的对标定参数K的设定。

2 硬件电路

2.1 供电

如图3所示，本声强测量仪采用外部的9V电池供电，然后经LM2596-5V的电源芯片将9V电压转换成5V给STC12C5628AD和运放LM358供电。电路中并联多个值为0.1μF电容是为了滤除干扰信号，尤其是高频干扰[6]。

2.2 电池电量检测

如图4所示，A端口是电池正极输入，P1^1连接单片机A/D口。采用两个10kΩ电阻进行分压以保证单片机引脚输入电压最大不超过5.5V，然后将电池电量采用图形格式显示在12864液晶屏右上方。

图2 声强测量仪软件工作流程

图3 9V转5V电路

图4 电池电量检测电路

2.3 外部信号的整流放大

如图5所示，LM358是双运放，笔者只用其中一个运放，但是另外一个运放不悬空[7]。P3是压电传感器的输入端，经过二极管整流，然后经过LM358运放放大。查看芯片手册可知，LM358可单电源供电范围是(3，30)V，输出电压摆幅是(0，Vcc-1.5)V，单位增益频带宽接近1MHz，笔者所研发的声强测量仪检测的频率范围是15～100kHz，所以选择该运放在理论上符合要求。

图5 外部信号的整流放大电路

2.4 串口通信

声强测量仪通过PL2303芯片组成的串口电路与上位机进行通信(图6)[8]，可将实时声强值发送到上位机，并接收上位机对系数K的设定。

图6 USB转串口电路

3 实验测试数据

实验一，准备一台函数信号发生器，用声强测量仪分别测试在20、28、40、60kHz频率下，峰值分别为1.4、1.6、1.8、2.0、2.2、2.4、3.0、3.2V时的声强值，结果如图7所示。

从图7可知，在函数发生器产生的标准信号下，在同一频率下，输入信号强度与声强值呈线性关系。不同频率，相同的信号幅值，声强值不同，这说明声强值不仅与信号幅值相关，还与信号频率相关。

实验二，准备一台超声波发生器，柱形九节鞭式大功率超声换能器，功率表和一个直径30cm、高度1.2m、厚度0.5cm的超声消音制作的水桶。 将塑料桶里装满去气的蒸馏水，启动超声发生器驱动大功率超声换能器工作。理论上在超声换能器对称的两个位置处的声强值是基本相同的，本实验采用参数一致的压电传感器分别插在大功率换能器的水下对称位置，用两台配置相同的声强测量仪分别测试两点的声强，并记录不同超声功率下的声强值，结果如图8所示。设备1、设备2代表两台配置相同的声强测量仪。

图7 不同峰值下的声强值

图8 不同功率下的声强值

从图8可知，笔者所设计的声强测量系统测量的声强值与超声发生器的输出功率呈正比例关系，且对称两点处的声强值也基本一致，与理论相符。

实验三，在实验二条件的基础上，超声波发生器的功率输出分别为500、600W，将压电传感器固定在水桶中的一点，测量一段时间内该点处的声强。通过安捷伦示波器对压电传感器的输出信号进行采样，并进行频谱分析。将频谱幅值与文中所示的声强测量仪的测量结果进行比较分析，不同功率下的频谱图如图9所示。

图9 不同功率下的频谱图

由图9可知，在500W功率下，得到的3组声强平均值分别为0.204、0.233、0.232W/cm2，平均声强值为0.223W/cm2。对图8采用最小二乘法可得到优化后的标定系数值。经标定后，得到采用声强测量仪测得的声强值是0.219W/cm2，误差是0.9%。在600W功率下，得到的3组声强平均值分别为0.360、0.370、0.359W/cm2，平均声强值为0.363W/cm2。采用同样的标定系数，使用笔者所研制的声强测量仪测量得到的声强值是0.365 W/cm2，误差为0.6%。

分析导致上述误差的主要原因如下：换能器本身的非线性使得其传递到声场中的声功率并不是随着输入电功率的增加而线性增加的，当输入功率达到一定程度时，换能器可能已经达到饱和状态了；由于负载水温的升高会对传感器精度造成影响，影响精度；由于超声电源输出功率也存在一定的精度，对结果也有一定的影响，此外水桶表面的回波对声强场也会产生干扰。

综上所述，在上述条件下测试两个特定功率(500、600W)下的声强值与理论计算的声强值进行对比，误差在容许范围内。并且该设备测试方法简单，符合工程实际应用。

4 结束语

笔者基于压电传感器，研究开发了一款超声声强测量仪表，频率范围可达到15～100kHz，相比其他声强测量设备，扩大了频率范围，并且该设备结构简单、易于使用，适用于测量超声清洗机的清洗效果。但由于笔者是采用单压电传感器进行声强测量，没有对质点振动速度进行直接检测，因此其测量精度相对偏低，今后应研究在双压电传感器或压电传感器与振动速度传感器相结合的声强测量方法，以提高检测精度。

[1] 杜江齐.基于水听器的超声声场分布测量研究[D].杭州：中国计量学院，2012.

[2] 叶国祥，吕效平，韩萍芳，等.压差法测量超声波声强[J].南京工业大学学报(自然科学版)，2007，29(3)：51～53.

[3] 刘勋，相敬林，周越.声强度的测量及其应用[J].声学技术，2000，19(2)：95～97，100.

[4] 刘星，时胜国，战国辰，等.水下声强测量技术在近场测量中的应用研究[J].哈尔滨工程大学学报，2002，23(1)：95～98.

[5] 陈张平.超声波换能器特性分析及其电源设计[D].浙江：杭州电子科技大学，2013.

[6] 杨玉强.滤波电容选取的深入研究[J].辽宁工学院学报，2006，26(2)：127～129.

[7] Carter B，Mancini R.运算放大器权威指南[M].北京：人民邮电出版社，2010.

[8] 席东河，马磊娟，杜娟.单片机串口通信的调试方法与技术[J].武汉职业技术学院学报，2010，9(3)：75～78.