CN117960431A - 一种液体射流超声控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液体射流超声控制装置及方法，其中，超声波发生装置设有两组相互垂直布置的超声振头，两组超声振头发出特定频率的超声波；反射板有两组且分别一一对应布置在两组超声振头发出超声波的前方，超声振头与对应反射板之间有间隔距离并通过调节间隔距离形成两束稳定的驻波声场，液体射流装置设有喷头，喷头喷出连续射流，喷头位于两束驻波声场压力波节重合处的上方，两束驻波声场作用于液体射流并在声辐射压力作用下调节射流形态，同时，对输入信号进行调制，在高频输入上搭载低频信号，产生调制超声，可实现射流破裂后液滴的尺寸控制以满足工业生产中对于液体射流行为形状及稳定性的特殊需求。

Description

一种液体射流超声控制装置及方法

技术领域

本发明属于液体射流控制技术领域，具体涉及一种液体射流超声控制装置及方法。

背景技术

液体射流的研究国内外都取得了一定的进展。国内的研究主要集中在技术应用、射流特性研究和射流与固体相互作用等方面，而国外的研究更集中在数值模拟与仿真、技术改进以及在医学和能源领域的应用。然而，现有的射流控制方法存在着稳定性低、调节范围有限等问题，通过研究新的技术和改进传统方法，不断提高液体射流的精确度、稳定性和可控性，以满足不同领域中对液体射流控制的需求。

超声控制技术在射流行为控制方面展现出了巨大的潜力，超声波技术与其他的控制技术融合可以实现对射流行为和稳定性的高度精确控制。但现如今对于液体射流的超声控制方法的研究主要在于对液体射流施加单独一个方向的超声波场，通过调节超声参数来控制液体射流的行为，对于液体射流的精确度、稳定性和可控性的提升仍存在局限性。

对于超声控制液体行为的方法，前人更关注声辐射压力作用下液滴的行为，中国专利CN202310346585.1公开的一种超声波液滴操控***和中国专利CN202223429928.0公开的一种超声波液滴操控***虽然能通过超声实现对离散液滴的精准控制，但是无法实现超声对连续射流的精准控制。

而对于连续射流的控制，通常采用电控和超声两种方法，中国专利CN201810049101.6一种控制射流断裂与液滴生成的方法及装置其公开了一种电控方法，中国专利CN202210473271.3一种压电式单分散液滴发生装置及其发生方法公开了一种超声控制方法，但是这两种方法对连续射流的直径无法调节，射流形态、射流速度和稳定性的控制和调节效果较差，因此通常只能在射流不稳定的波长范围内（波长＞射流周长）应用，限制了调节的维度和范围。

因此，如何提供一种基于声辐射压力的并能精准控制连续射流直径的液体射流超声控制装置及方法，以满足工业生产中对于液体射流行为形状及稳定性的特殊需求，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种液体射流超声控制装置，基于声辐射压力原理，通过双轴正交超声场，实现对射流直径的精准控制。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种液体射流超声控制装置，其包括：

超声波发生装置，所述超声波发生装置设有两组相互垂直布置的超声振头，两组所述超声振头发出特定频率的超声波；

反射板，所述反射板有两组且分别一一对应布置在两组超声振头发出超声波的前方，所述超声振头与对应反射板之间有间隔距离并通过调节间隔距离形成两束稳定的驻波声场，两束驻波声场的中心线共面且垂直；

液体射流装置，所述液体射流装置设有喷头，所述喷头喷出连续射流，所述喷头位于两束驻波声场压力波节重合处的上方，两束驻波声场作用于液体射流并在声辐射压力作用下调节射流形态。

本发明的有益效果是：通过两组超声振头和两组反射板形成两束驻波声场，液体射流在两束驻波声场的共同波节处喷射，射流受到两个径向的声辐射压力作用，通过调节声压，在声辐射压力的作用下，液体射流受到径向压力，直径降低，通过调节声压幅值，实现射流直径的调节，此外，对超声波发生装置的输入信号进行调制，在高频输入上搭载低频信号，产生调制超声，根据射流不稳定频率，搭载调制波形，实现射流破裂控制，即液滴尺寸控制，控制扰动频率与调制深度，更为精准得控制射流破裂长度、失稳波长及生成的液滴直径，实现生成单分散液滴功能。

优选的，所述超声波发生装置还包括超声波信号发生器及功率放大器，所述功率放大器有两组且分别电信号连接两组超声振头，所述超声波信号发生器与两组功率放大器电信号连接，所述超声波信号发生器及功率放大器置放在光学平台上。

由此产生的技术效果是：根据需要，可以调节声波频率，获得预定的测量需求。

优选的，所述光学平台上连接有两组调节滑轨，所述调节滑轨为X轴Y轴双轴调节滑轨，所述调节滑轨上连接有用于固定超声振头的夹持座，所述超声振头在调节滑轨的作用下调节与反射板之间的位置关系。

由此产生的技术效果是：利用调节滑轨来调节夹持座及超声振头的X轴及Y轴位置，在反射板的配合下，获得稳定的驻波声场。

优选的，所述光学平台上连接有立轨，所述立轨上滑动连接有伸缩台，所述喷头固定连接在所述伸缩台的伸缩端并调节喷头的水平位置，所述光学平台上连接有注射泵，所述注射泵的出水口连接所述喷头并提供一定速度的液体射流。

由此产生的技术效果是：通过注射泵提供一定速度的液体射流，再利用声辐射压力调节射流状态，伸缩台可以水平调节喷头的位置，立轨可以调节喷头的高度，以满足试验条件。

优选的，所述超声波信号发生器和所述功率放大器组合调节的功率范围为0~2kW，产生的交变电压频率范围在0.2kHz~40kHz。

优选的，所述超声振头的频率范围为15.0kHz~40.0kHz，所述超声振头的功率为0.3kW~2kW。

优选的，所述注射泵为蠕动泵，其的射流流量为10~90ml/min，所述喷头上的连接端与注射泵的出水口管路连接，所述连接端的管径大小为1~3mm。

优选的，所述超声振头与反射板之间的距离满足公式，其中d₁为间距，A为取值系数，不同取值的A对应不同位置的波节，在这些位置均可实现控制水流状态，理论上A的取值为1、2、3……，但在实际应用中A的取值无法精确取到1、2……，因此划定了A的系数范围即0.95~1.05、1.9~2.1……，在此范围中可产生控制水流现象，c为当地声速，f为超声频率。

优选的，所述超声振头配合反射板产生的超声波聚焦区域与反射板的间距范围为

其中，B、C是共同决定波节位置的，C与A一样，都是系数，理论上应该取1，但实际上不是1，即划定了取值范围。

本发明还公开了一种使用液体射流超声波控制装置的控制方法，其包括以下步骤：

步骤一：将超声波发生装置接通电源，使得两组超声振头产生特定的超声波；

步骤二：调节超声振头位置及其与反射板之间的距离，确保两组超声振头与对应的反射板形成声场的中心线位于同一平面，且相互垂直，从而在振头和反射板之间形成稳定的驻波声场；

步骤三：调节喷头位置，使得喷头位于两束驻波波节重合处的正上方；

步骤四：将喷头与外部泵送源连接，使得喷头喷出连续射流，调节超声波发生器的功率，使得超声振幅增大，声辐射压力增强，通过反射板反射超声波，驻波声场产生，射流在声辐射压力的作用下变细，两个方向的超声波共同作用在射流上，即实现射流直径和流速控制；

步骤五：对输入信号进行调制，在高频输入上搭载低频信号，产生调制超声，实现射流破裂后液滴的尺寸控制。

本发明的有益效果是：本发明利用超声波发生装置及反射板配合形成的驻波声场来调节液体射流状态，实现液滴悬浮，控制液体射流，液体射流在两束驻波声场的共同波节处喷射，射流受到两个径向的声辐射压力作用。调节声压，可实现对液体射流直径及射流速度的控制和调节，此外，搭载调制波形，实现射流破裂控制，即液滴尺寸控制，控制扰动频率与调制深度，更为精准得控制射流破裂长度、失稳波长及生成的液滴直径，实现生成单分散液滴功能。

附图说明

图1为本发明一种液体射流超声控制装置的整体结构图；

图2为本发明一种液体射流超声控制装置的局部放大示意图；

图3为本发明一种液体射流超声控制装置超声振头与射流作用图。

1超声波发生装置、11超声振头、12功率放大器、13超声波信号发生器、2反射板、3液体射流装置、31喷头、32注射泵、4光学平台、5立轨、6伸缩台、7调节滑轨。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅本发明附图1至3，根据本发明实施例一种液体射流超声控制装置，其包括：

超声波发生装置1，超声波发生装置1设有两组相互垂直布置的超声振头11，两组超声振头11发出特定频率的超声波；

反射板2，反射板2有两组且分别一一对应布置在两组超声振头11发出超声波的前方，超声振头11与对应反射板2之间有间隔距离并通过调节间隔距离形成两束稳定的驻波声场，两束驻波声场的中心线共面且垂直；

液体射流装置3，液体射流装置3设有喷头31，喷头31喷出连续射流，喷头31位于两束驻波声场压力波节重合处的上方，两束驻波声场作用于液体射流并在声辐射压力作用下调节射流形态。

具体工作过程和工作原理为：

开启超声波发生装置，使得超声振头发出超声波，调节反射板至相应位置，通过反射板反射，形成驻波声场。两组超声振头与反射板重复同样过程，形成两束相交且垂直的驻波声场。反射板与超声振头间距可通过下式计算：

其中，L为反射板与发生器间距，c为声速，f为发生器振动频率。

液体射流在两束驻波声场的共同波节处喷射，射流受到两个径向的声辐射压力作用。调节声压，可实现对液体射流直径及射流速度的控制和调节。

根据射流直径，计算射流失稳频率范围，典型的，射流失稳频率应满足：

其中， 为射流不稳定频率，v为射流速度，r为射流半径，根据质量守恒，又可计算射流速度为

其中，为射流体积流率。

因此，根据射流不稳定频率，搭载调制波形，实现射流破裂控制，即液滴尺寸控制，控制扰动频率与调制深度，更为精准得控制射流破裂长度、失稳波长及生成的液滴直径，实现生成单分散液滴功能。

本发明基于声辐射压力这一原理，通过双轴正交超声场，对射流直径实现精准控制，在此基础上，通过叠加调制声场，实现射流破裂长度、液滴直径的控制。相比于传统的电控和超声控制，本发明可以调节射流直径，并根据射流直径施加相应扰动，实现生成液滴的高精度、宽范围控制。

在另一些实施例中，超声波发生装置1还包括两组超声波信号发生器13及两组功率放大器12，两组功率放大器12分别电信号连接两组超声振头11，超声波信号发生器13与两组功率放大器12电信号连接，超声波信号发生器13与功率放大器12置放在光学平台4上。

在另一些具体实施例中，光学平台4上连接有两组调节滑轨7，两组调节滑轨7均为X轴Y轴双轴调节滑轨，调节滑轨7上连接有用于固定超声振头11的夹持座8，也就是夹持座在调节滑轨的作用下可以调节X轴方向上的位置和Y轴方向上的位置；进而调节超声振头11与反射板2之间的位置关系，获得稳定的驻波声场。

在其他一些实施例中，光学平台4上连接有立轨5，立轨5上滑动连接有伸缩台6，喷头31固定连接在伸缩台6的伸缩端并调节喷头31的水平位置，伸缩台可以在立轨上升降，喷头在伸缩台上调节水平位置，从而调节喷头位于两束驻波波节重合处的正上方1.5-2cm处，光学平台4上连接有注射泵32，注射泵32的出水口连接喷头31并提供一定速度的液体射流。

在另一些实施例中，超声波信号发生器13和功率放大器12组合调节的功率范围为0~2kW，产生的交变电压频率范围在0.2kHz~40kHz。

在其他一些实施例中，超声振头11的频率范围为15.0kHz~40.0kHz，超声振头11的功率为0.3kW~2kW。

在其他一些具体实施例中，注射泵32为蠕动泵，其的射流流量为10~90ml/min，喷头31具体包括喷嘴段和接头连接段，接头连接段上的连接端与注射泵的出水口管路相连，接头连接段的管径大小为1~3mm。

在其他一些实施例中，超声振头11与反射板2之间的距离满足公式，其中d₁为间距，A为取值系数，A取值为0.95-1.05、1.9-2.1……，c为当地声速，f为超声频率，理论上A的取值为1、2……，不同取值的A得到不同位置的波节，在这些位置均可产生调节射流的现象，但在实际应用中A的取值无法精确取到1、2……，于是就给定了该范围，在此范围中可产生上述现象。

在另一些实施例中，超声振头11配合反射板2产生的超声波聚焦区域与反射板的间距范围为

。

在其他一些实施例中，液体射流装置提供的射流位置与反射板的间距范围为5-35mm。

本发明还公开了一种使用液体射流超声波控制装置的控制方法，其包括以下步骤：

步骤一：将超声波发生装置接通电源，使得两组超声振头产生特定的超声波；

步骤二：调节超声振头位置及其与反射板之间的距离，确保两组超声振头与对应反射板形成声场的中心线位于同一平面，且相互垂直，从而在振头和反射板之间形成稳定的驻波声场；

步骤三：调节喷头位置，使得喷头位于两束驻波波节重合处的正上方；

步骤四：将喷头与外部泵送源连接，使得喷头喷出连续射流，调节超声波发生器的功率，使得超声振幅增大，声辐射压力增强，通过反射板反射超声波，驻波声场产生，射流在声辐射压力的作用下变细，两个方向的超声波共同作用在射流上，即实现射流直径和流速控制；

步骤五：根据射流直径，确定调制信号频率，对输入信号进行调制，搭载调制信号，在高频输入上搭载低频信号，产生调制超声，并调节调制深度，实现射流破裂长度和生成液滴尺寸的控制。

对于实施例公开的装置和使用方法而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种液体射流超声控制装置，其特征在于，包括：

超声波发生装置（1），所述超声波发生装置（1）设有两组相互垂直布置的超声振头（11），两组所述超声振头（11）发出特定频率的超声波；

反射板（2），所述反射板（2）有两组且分别一一对应布置在两组超声振头（11）发出超声波的前方，所述超声振头（11）与对应反射板（2）之间有间隔距离并通过调节间隔距离形成两束稳定的驻波声场，两束驻波声场的中心线共面且垂直；

液体射流装置（3），所述液体射流装置（3）设有喷头（31），所述喷头（31）喷出连续射流，所述喷头（31）位于两束驻波声场压力波节重合处的上方，两束驻波声场作用于液体射流并在声辐射压力作用下调节射流形态。

2.根据权利要求1所述的一种液体射流超声控制装置，其特征在于，所述超声波发生装置（1）还包括超声波信号发生器（13）及功率放大器（12），所述功率放大器（12）有两组且分别电信号连接两组超声振头（11），所述超声波信号发生器（13）与两组功率放大器（12）电信号连接，所述超声波信号发生器（13）及功率放大器（12）置放在光学平台（4）上。

3.根据权利要求2所述的一种液体射流超声控制装置，其特征在于，所述光学平台（4）上连接有两组调节滑轨（7），两组所述调节滑轨（7）均为X轴Y轴双轴调节滑轨，所述调节滑轨（7）上连接有用于固定超声振头（11）的夹持座（8），所述超声振头（11）在调节滑轨（7）的作用下调节与反射板（2）之间的位置关系。

4.根据权利要求2所述的一种液体射流超声控制装置，其特征在于，所述光学平台（4）上连接有立轨（5），所述立轨（5）上滑动连接有伸缩台（6），所述喷头（31）固定连接在所述伸缩台（6）的伸缩端并调节喷头（31）的水平位置，所述光学平台（4）上连接有注射泵（32），所述注射泵（32）的出水口连接所述喷头（31）并提供一定速度的液体射流。

5.根据权利要求2所述的一种液体射流超声控制装置，其特征在于，所述超声波信号发生器（13）和所述功率放大器（12）组合调节的功率范围为0~2kW，产生的交变电压频率范围在0.2kHz~40kHz。

6.根据权利要求2所述的一种液体射流超声控制装置，其特征在于，所述超声振头（11）的频率范围为15.0kHz~40.0kHz，所述超声振头（11）的功率为0.3kW~2kW。

7.根据权利要求4所述的一种液体射流超声控制装置，其特征在于，所述注射泵（32）为蠕动泵，其的射流流量为10~90ml/min，所述喷头（31）上的连接端与注射泵的出水口管路相连，所述连接端的管径大小为1~3mm。

8. 根据权利要求1所述的一种液体射流超声控制装置，其特征在于，所述超声振头（11）与反射板（2）之间的距离满足公式，其中d₁为间距，A为取值系数，根据不同取值的A获得不同位置的波节，c为当地声速，f为超声频率。

9.根据权利要求8所述的一种液体射流超声控制装置，其特征在于，所述超声振头（11）配合反射板（2）产生的超声波聚焦区域与反射板的间距范围为

；

其中，B为不同位置处的取值系数，B、C是共同决定波节位置的系数，C是取值系数，理论上应该取1，但实际上不是1，即划定了C的取值范围，B和C配合决定超声波聚焦区域与反射板的间距。

10.一种使用如权利要求1-9任意一项所述的液体射流超声控制装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将超声波发生装置接通电源，使得两组超声振头产生特定的超声波；

步骤二：调节超声振头位置及其与反射板之间的距离，确保两组超声振头与对应反射板形成声场的中心线位于同一平面，且相互垂直，从而在振头和反射板之间形成稳定的驻波声场；

步骤三：调节喷头位置，使得喷头位于两束驻波波节重合处的正上方；

步骤四：将喷头与外部泵送源连接，使得喷头喷出连续射流，调节超声波发生器的功率，使得超声振幅增大，声辐射压力增强，通过反射板反射超声波，驻波声场产生，射流在声辐射压力的作用下变细，两个方向的超声波共同作用在射流上，即实现射流直径和流速控制；

步骤五：对输入信号进行调制，在高频输入上搭载低频信号，产生调制超声，实现射流破裂后液滴的尺寸控制。