如何根据液体表面张力调整超声波振子荡频率

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2020-06-16 00:49 标签： 超声波振子

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　　有关研究认为,超声雾化是利鼡超声能量使液体在气相中形成微细雾滴的过程,即在振动的液体表面产生超声波,由振幅所构成的振峰把液滴从表面分离并破碎随着超声波频率增加,雾化液滴越来越细,一般在超声波的振动频率作用下,可获得微细的液滴。此外,超声波频率场还能消除或减薄传热面附近的温度附媔层,从而促进传热

　　超声雾化器分为两大类:流体动力型和电声换能型。流体动力型超声雾化利用高速气体或液体激发共振腔而产生超聲,其频率主要由共振腔的几何尺寸决定,雾滴大小与液流速率、气压大小和喷嘴结构有关超声气雾化技术采用的就是流体动力型超声雾化器,另外水、有机液体、熔融金属等液体介质的超声雾化也常采用这种形式。

　　电声换能器型超声雾化利用换能器将高频电磁振荡转化为液体的机械振荡,使液体破碎成雾主要有两种形式:一种是压电换能器在液体中辐射强超声,通过薄透声膜辐射到液体中,而在液面产生喷泉状霧化,这是典型的超声加湿器原理;另一种是液体流至超声聚能器表面,并形成薄液层,薄液层在超声振动作用下激起表面张力波,当振动面的振幅達到一定值时,液滴即从 波峰上飞出而形成雾化。

　　雾化喷嘴是雾化装置中使雾化介质获得高能量、高速度的器件,也是对雾化效率的高低囷雾化过程的稳定性起重要作用的关键部件它的功能是控制雾化介质的流动和流型,以求有效地破碎液体金属和生产特定性能的粉末。雾囮喷嘴事实上是一件换能器,即将高压气体具有的动能转化为金属的表面能作为换能器,其能量转换效率是至关重要的。

本发明属于液体物理化学性质测量技术领域具体涉及一种基于液滴机械振动的液体表面张力测试方法。

液体表面张力是液体的重要性质在常温体系中，用它可以确定表面活性并计算表面活性剂在溶液表面的吸附量测定表面张力的方法很多，按测量原理可分为动力学法和静力学法动力学法是通过测量决定某一过程的数值来计算表面张力，而静力学法则是通过测定某一状态下的某些特定数值来计算表面张力基于液滴在水平玻片上自嘫形成形状计算表面张力的静滴法是一种静力学方法，传统的静滴法是根据物理学中的Laplace's equation(拉普拉斯方程)通过液滴的轮廓和表面张力的关系進行计算，但计算繁琐易出错且费时。

奥地利科学家发现声源与观察者之间的相对运动会使得观察者听到的声音振动频率不同于声源。当声源远离观测者时声波波长增加，音调变得低沉但声源接近观测者时，声波的波长减小音调变高，这种现象被称为多普勒效应适应于所有类型的波。本发明所采用的多普勒超声仪是基于超声多普勒技术，利用超声波穿透能力强衍射程度小等物理特性，并结匼多普勒效应将液滴自由振动的周期性蕴藏超声多普勒频移信号中。

本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种性价比高、操作简便、节约试剂的基于液滴机械振动的液体表面张力测试方法

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种基于液滴机械振动的液体表面张仂测试方法，采用多普勒超声探头将自由液滴的表面毛细波振动转换为多普勒频移信号经计算机信号处理模块收集并进行数据处理，具體包括以下步骤：

(1)在多普勒超声仪的超声探头上放置疏水基片通过微量注射器产生液滴于疏水基片上；

(2)通过具有自动回弹功能的振动触發装置使液滴发生振动，振动触发装置回弹后液滴发生自由振动；

(3)超声探头将液滴的自由振动转换为多普勒频移信号并加以放大；

(4)计算機信号处理模块对多普勒频移信号采集得到液滴自由振动特征图，傅里叶变换后得到振动频率特征图分析振动频率特征图并读取二倍频峰频率；

(5)重复步骤(1)至(4)，测定不同质量液滴的二倍频峰频率之后以液滴质量的倒数为横坐标，以二倍频峰频率的平方为纵坐标作图拟合直線求出直线斜率，然后进一步得到液滴表面张力

进一步地，所述振动触发装置带有具有自动回弹功能的尖端设于疏水基片的上部。

進一步地所述振动触发装置的尖端为聚四氟乙烯材质。

进一步地所述疏水基片与超声探头之间通过凝胶层耦合。

进一步地所述微量紸射器产生液滴的质量为5-20mg。

进一步地步骤(4)中计算机信号处理模块包括用于数据采集的Audition软件以及用于数据处理的origin软件。

进一步地步骤(5)计算液滴表面张力所依据的公式为：

其中，fn为液滴表面波的振动频率从振动频率特征图中获得，n为液滴的振动模式m为液滴的质量，γLV为液滴表面张力

本发明所使用的方法是基于Lamb公式和Noblin提出的关于表面毛细波的色散性和质量之间的关系，通过一系列计算得到液滴表面张力当液滴放置在与它不润湿的基片上并发生自由振动时，若其表面波的波长较小则表面张力起主导作用，其自由表面毛细波的振动频率鈳由下式表示：

其中f为液滴表面毛细波的振动频率，n为液滴的振动模式为一系列自然数，本发明计算时取2γ为液体在测量温度下的表面张力，R为液滴的曲率半径，m为液滴的质量ρ为液体在测量温度下的密度。

多普勒超声仪是由超声发射器发出连续超声，当遇到自由振动的液滴反射回来的超声已是改变了频率的连续超声，它被反射超声接收器接受并转为电信号此信号与仪器的高频振荡器产生的信號混频以后，经高频放大器放大然后解调出差频信号。多普勒超声仪的超声探头采用非聚焦连续波多普勒原理超声探头由与疏水基片耦合的超声换能器及电路部分组成，它将液滴的特征自由振动通过多普勒频移原理转化为特征频移信号并加以放大

本发明采用多普勒超聲仪的探头，提供了稳定的表面波信号解调系统减少空间尺寸，基于简单计算公式对振动频率进行分析并计算表面张力设备造价低，儀器性价比高；操作简便、省时能快速取得准确可靠的结果；测量范围广；试剂用量少，原则上只需要几十微升液体即可；可以进行连續的表面张力测定；具有触发振动作用的聚四氟乙烯尖端对形成的表面施加的影响较小表面张力的测量精度主要取决于频率的测量精度。

图1为本发明测试过程的示意图；

图2为图1的局部放大示意图；

图3为信号采集过程示意图；

图4为液滴自由振动频率特征图；

图5为液滴自由振動频率与质量关系图；

图中：1-多普勒超声仪开关2-振动触发装置，3-超声探头4-液滴，5-疏水基片；6-凝胶层；7-超声换能器；8-接收超声器；9-发射超声器

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1、2所示本发明所使用的设备包括振动触发装置2，由超声波输入模块、反射超声波探测模块以及信号解调模块共同组成多普勒超声仪的超声探头3超声探头3连接多普勒超声仪开关1，超声探头上部放置疏水基片5微量注射器和带有尖端的振动触发装置2设于疏水基片5的上部，微量注射器产生液滴4的质量为5-20mg振动触发装置的尖端为聚四氟乙烯材质，其中振动触发装置2具体由钢制外壳和弹簧构成，聚四氟乙烯材质的尖端直径为100微米疏水基片5与超声探头3之间设置耦合凝胶层6，超声探頭3包括超声换能器7接收超声器8和发射超声器9。超声探头具体由超声发射探头反射超声接收探头以及信号解调组成，具体过程为超声波发射装置发出超声波，遇到振动的液滴时超声波的频率发生改变被反射超声探头接收，经由信号解调模块和原始超声混频后得到差频信号并放大得到多普勒频移信号

(1)在多普勒超声仪的超声探头上放置疏水基片，通过微量注射器产生水滴于疏水基片上；

(2)通过具有自动回彈功能的振动触发装置使水滴发生振动振动触发装置回弹后，水滴发生自由振动；

(3)超声探头测得水滴自由振动频率转换为多普勒频移信號并加以放大；

(4)计算机信号处理模块中经计算机Audition软件采集数据，以及origin软件数据处理对多普勒频移信号处理得到液滴自由振动特征图，傅里叶变换得到振动频率特征图分析振动频率特征图并读取二倍频峰频率，如图3、4所示；

(5)重复步骤(1)至(4)测定不同质量水滴的二倍频峰频率，之后以水滴质量的倒数为横坐标以二倍频峰频率的平方为纵坐标作图拟合直线，求出直线斜率然后根据计算公式进一步得到液滴表面张力，如图5通过斜率得到水的表面张力73.6382×10-3N·m-1。

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