多极驻波声场对微颗粒迁移影响的理论与实验研究

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空气中的悬浮微颗粒是引起大气污染的主要原因,对自然环境和人类健康形成威胁。传统的除尘降尘手段主要针对大粒径颗粒;而对于微颗粒的分离技术还处于逐步探索阶段。在关于声波颗粒处理的研究中,声波特别是驻波对微颗粒的迁移行为具有良好的操纵性,可实现颗粒的聚集和分离。基于声波对微颗粒的操纵理念,设计并制作了一种多极驻波颗粒分离装置,探究装置的声学特性以及装置对大量微颗粒的分离效果。声波操纵微颗粒的核心在于构造一定声强梯度和形态分布的声场。实验装置的主要部件包括Helmholtz声源和平面回音腔。信号发生器产生的交流电信号经功率放大器初步放大后进入Helmholtz声源,Helmholtz声源将电信号转换为高强度的声信号并向平面回音腔内辐射。相同的多束声波在平面回音腔内叠加形成多极驻波复合声场。该声场对其中悬浮颗粒产生迁移操纵作用,使大量微颗粒在声场声强密度梯度的作用下发生聚散迁移,最终实现混杂在空气中微颗粒的分离。通过对多极驻波颗粒分离装置的分析,建立了Helmholtz声源和平面回音腔的物理模型,分析了装置的声学特性以及装置对微颗粒的迁移。实验结果表明:Helmholtz声源中,扬声器和Helmholtz共振器的相互作用决定着Helmholtz声源的等效电/声阻抗,并影响Helmholtz声源的两端电压、输出声压和电声转换效率;扬声器膜的谐振以及Helmholtz共振器的共振可以增强Helmholtz声源发射声波信号。一定条件下,Helmholtz共振器的共振提高了Helmholtz声源的电声转换效率。在与单独扬声器的声学特性对比实验中,电阻为6.5Ω的Helmholtz声源获得了高达113%的电声转换效率。频率为1.805kHz的声信号可以实现Helmholtz声源和平面回音腔的同步谐振;位于回音腔壁面中心的16极对称Helmholtz声源使平面回音腔具有明显的谐振特征,此时平面回音腔内复合声场的声强按环形特征分布:平面回音腔内的复合声场在谐振频带内声学特征稳定,可以实现大量烟气颗粒的聚集和分离。实验还对比了不同数目Helmholtz声源对平面回音腔频率谐振的影响,以及在不同数目Helmholtz声源的作用下,平面回音腔对其中大量烟草燃烧颗粒的迁移和分离效果。实验表明,多极驻波颗粒分离装置对微颗粒具有良好的迁移效果。
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