应用于石墨烯制备中超声波频率声强测量的研究

发布时间：2019-11-22 23:54

【摘要】：大功率超声作用制备石墨烯方法是目前能制备大片层、高品质石墨烯的主要方法。超声场中各点声强大小、各频率分量的强弱则直接影响石墨烯制备的品质。针对石墨烯制备中对声场信息测量的实际需求,搭建了超声波频率声强测量装置,详细分析了装置的实现原理并给出各部分设计方案。测试结果表明,装置能够准确反映石墨烯制备超声场中的各频率分量和声强信息,对于研究石墨烯在超声场的作用机理提供了参考依据。
【图文】：

模拟电路,软件设计,原理图

。图１测量装置硬件结构框图模拟电路部分是硬件设计的核心部分。由于水听器采集的信号是以交流电压的形式传输，而主控芯片不接收这样的信号输入，所以需对信号波形进行适当调整。首先输入信号经过一个运算放大器反相后保留负半周期信号，输出后信号分成２部分，，一部分与输入信号叠加，经过２个运算放大器的反相和放大后输出声强测量信号；另一部分信号经过反相后进入二阶有源带通滤波器，实现信号的加窗处理，最后输出频率测量信号。模拟电路部分原理图如图２所示。图２模拟电路处理部分原理图２软件设计２．１滤波算法设计通过观察示波器测量到的数据可知，水听器测量得到的信号存在很大的噪声干扰，有比较明显的奇异值点。根据测量得到的数据特点，把超声波声强测量滤波算法分解成３个步骤：剔除奇异项，高斯白噪声和有色噪声的滤波以及数据平滑处理。奇异点是指和整体分布相差较远的测量值。从产生机理上分析，声场中测量到的奇异值是由于电路故障或者受到干扰产生的，而正常的信号是受声场中的声压产生的，在声场中某一点的位置固定后其声强或者频率会随着超声波反应釜系统的功率，呈现连续性的变化，而奇异值则不受这些因素的影响，它的产生和消亡几乎是瞬时的，其变化趋势呈现出离散性［３］。本文主要采用梯度门限检测法剔除奇异值点，其公式如下：Ｋｉ＝｜Ｔｉ－Ｔｉ－１｜＞Ｋｍ（１）式中：Ｋｉ为第ｉ个采样点的梯度值；Ｔｉ为第ｉ个采样点的幅值；Ｋｍ为设定的梯度门限值。若满足式（１）则剔除数据Ｔ

示意图,双水听器,声强测量,示意图

：Ｉｘｉ＝ＥｘｄｔｄＡ，由声能Ｅｘ＝ｐ（ｔ）ｄＡｄｘ，故瞬时声强的表达式为Ｉｘｉ＝ｐ（ｔ）ｄｘ／ｄｔ＝ｐ（ｔ）ｕｘ（ｔ）（３）即为声压与速度的乘积。只要测出对应的声压以及质点速度即可算出声强值。声压可以用水听器直接测量，而质点运动速度的测量却很难，只能用间接方法求得。双水听器法是使用２个方向相对且相距较近的水听器分别测量２点的声压值，通过算法间接得到声强值［７］。图４为双水听器法声强测量示意图。设水听器Ａ和水听器Ｂ的声学中心的连线方向为ｕ（ｔ），相距为ｄ，所测得Ａ，Ｂ通道的声压信号分别是ｐＡ（ｔ），ｐＢ（ｔ）。根据流体的欧拉公式，质点振速ｖ可以用声压的梯度ｇｒａｄ（ｐ）计算：图４双水听器法声强测量示意图ｖ＝－１ρ０ｇｒａｄ（ｐ）＝－１ρ０∫ｐ（ｔ）ｘｄｔ（４）式中ρ０为质点静止状态下的密度。设声波的波长为λ，当ｄ相比波长λ可以忽略时，ｐ（ｔ）ｘ≈ｐＢ（ｔ）－ｐＡ（ｔ）ｄ，由式（４）可得：ｕ（ｔ）＝－１ρ０∫［ｐＢ（ｔ）－ｐＡ（ｔ）］ｄｔ（５）两传感器中间处的声压可近似的认为是ｐＡ（ｔ）及ｐＢ（ｔ）的平均值，即ｐ（ｔ）＝ｐＢ（ｔ）＋ｐＡ（ｔ）２，则由式（３）可得在ｘ方向上的瞬时声强Ｉｘ：Ｉｘ＝１２ρ０ｄ［ｐＢ（ｔ

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