（材料学专业论文）功率超声在金属凝固过程中的应用研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 功率超声是超声技术的一个分支，它主要研究利用超声振动形成的能量使物质的一 些物理、化学、生物特性或状态发生改变，或者使这种改变过程加快。在金属凝固过程 中施加功率超声，是改善凝固组织、提高材料机械性能的最有效方法之一。超声熔体处 理技术避免了采用加入变质剂细化晶粒时，变质剂与熔体中的气体之间的反应，并且通 过超声振动使熔体得到进一步除气净化。 a 1 一1 s i 合金具有较好的流动性，小的线膨胀系数，小的铸造收缩率和优良的抗腐 蚀性能与焊接性能，所以己成为制造集成电路键合线的优选材料。为了进一步提高其机 械性能，以满足全自动键合机的生产要求，采用超声熔体处理技术细化连铸坯晶粒。在 不同功率的超声场作用下，对铝合金熔体进行超声处理，研究了不同超声参数( 频率、 功率) 及工艺参数( 超声作用时间、超声作用时熔体初始温度) 对铝合金铸坯晶粒细化 的效果。实验结果表明：超声熔体处理可以明显细化晶粒，改善元素的偏析倾向。随着 超声功率的增加，改善作用的效果越明显。 金属熔体施加超声处理后，产生了空化及声流效应。空化泡将以极高的速度闭合 或崩溃，在熔体内部局部微小区域产生瞬时高温、高压和强烈的冲击波，从而促进了合 金形核并抑制长大。声流搅拌金属熔体，可以提高温度场和化学成分的均匀性，改善合 金成分偏析。 关键词：功率超声：空化；声流；凝固；晶粒细化 大连理工大学硕士学位论文 s t u d yo n t h es o l i d i f i c a t i o np r o c e s so f a l l o yt r e a t e db yh i g hi n t e n s i t y u l t r a s o n i c a b s t r a c t h i 咖i n t e n s i 哆u l t r a s o n i ci sat e c h n o l o g yb a s e do np h y s i c s ，m e c h a n i c s ，e l e c t r o n i c s ， m a t e r i a l sa n d5 0o n i ti sa na p p l i e dt e c h n o l o g yt h a tc h a n g e ss o m e 鹊p e c t so fo b j e c t so r p r o p e r t i e s ，o ri t ss p e e d i sc h a n g e db y1 1 l t r a s o n i ce n e r g y h i g hi n t e n s i t yu l t r a s o n i ct r e a t m e n ti s o n eo ft h ee f f e c t i v ew a y st oi m p r o v es o l i d i f i c a t i o ns t m e t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f m e t a l si nt h ep r o c e s so fm e t a ls o l i d i f i e a t i o n h i 幽i n t e n s i t yu l t r a s o n i cm e l tt r e a t m e n ti su s e d t oa v o i dt h ea c t i o nb e t w e e nt h ea l t e r a t i v ea n dg a si nm o l t e na l l o y ，a n dm a k et h ea 1 1 0 y d e g a s s i n ga n df i l t r a t i o nb yu l t r a s o n i cv i b r a t i o n 。 a i - i s ia l l o yi s a d a p tt om a k em o l e c t r o nm a n u f a c t u r eb o n d i n gw i r e 砸t hg o o d f l u i d n e s s ，s m a l le x p a n s i l ec o e f f i c i e n t ，c o n t r a c t i v ec o e f f i c i e n t ，r e s i s t a n c eo fc o r r u p ta n dg o o d w e l d i n gc a p a b i l i t y h i 曲i n t e n s i t yu l t r a s o n i ct r e a t m e n ti su s e dt or e f i n et h eg r a i n s ，f o r i m p r o v et h em e c h a n i s mp r o p e r t ya n dc o n t e n tt h er e q u i r ea u t o m a t i s mp r o d u c t i o n w i t h d i f f e r e n ts o l i d i f i c a t i o np r o c e s s ，n i t r a s o n i ca n dt e c h n i c a lp a r a m e t e r sa r es t u d i e d ，s u c ha s u l t r a s o n i cf r e q u e n c y , u l t r a s o n i cp o w e r d u r a t i o na n dt h et e m p e r a t u r e 1 1 1 ee x p e r i m e n tr e s u l t s i n d i c a t et h a th i 曲i n t e n s i t yu l t r a s o n i ct r e a t m e n tc a nh e l pr e f i n e t h eg r a i n sa n dr e d u c e s e g r e g a t i o no f a l l o y s w i t ht h ep o w e rg r o w s , t h ee f f e c to f a l l o yr e f i n ei sb e t t e r a f t e rp u t t i n gt h eu l t r a s o n i ci n t om o l t e na l l o y s ，c a 、，i m f i o na n da c o u s t i cs t e a ma l et a k ep l a c e i nt h em e l t c a v i t a t i o nw i l le o l l a p ma lav e r ys p e e d t h e nal o c a lz o n ew i t hh i g h t e m p e r a t u r e , p r e s s u r ea n dp o w e r f u ls h o c kw a v ea l ef o r m e d t h a ta c c e l e r a t e st h en u c l e a t i o n a n dr e s t r a i n sg r a i n sg r o w t h w i 恤t h es t i r r i n go fa c o u s t i cs t r e a m i n g t e m p e r a t u r ea n de l e m e n t i nt h em e l tb e c o m eu n i f o r m i t y , t h ea l l o ye l e m e n ts e g r e g a t i o ni sr e d u c e d ， k e yw o r d s ：h i 曲i n t e n s i t yu l t r a s o n i c ；e a v i t a t i o n ；a c o u s t i cs t e a m ；s o f i d i f i c a f i o n ；g r a i n s r e f i n e i i i - 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：互必卜i e tj t l ：塑纽一 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名： 鱼盔! 遗 丝翌年l 月日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 超声波是超声振动在介质中的传播，是在弹性介质中的传播的机械波。超声波既是 一种波动形式又是一种能量形式l l 】。超声波在强度较低时可以用其波动性能作为探测与 负载信息的载体与媒介，称检测超声。当强度超过一定值时，就可以用其能量形式通过 它与传声媒质的相互作用使物质的一些物理，化学和生物特性或者状态发生改变，或者 使这种改变过过程加快，这就称为功率超声。使用适当的换能器可产生大功率的超声波， 而通过聚焦、变幅杆等方法，还可以获得更高声强的超声，在液体中产生的空化现象， 使得利用超声进行加工、清洗、焊接、乳化、粉碎、脱气、促进化学反应、医疗，以及 种子处理等已经广泛应用于工业、农业、医学卫生等各个部门。例如，在含有烟雾粒子 和灰尘的气体中发射大功率超声，不同尺度粒子振动速度不同，则互相碰撞，从而可加 速粒子的凝聚；在液体中发射大功率超声，会在液体中产生空化现象，从而可实现清洗、 乳化、脱气以及使固体粒子悬浮、或使高分子分解和聚合，促进化学反应等；在固体中 发射大功率超声，可用于粉碎、研磨、切割、加工和焊接等等。此外，利用固体中超声 波的特殊波形，研制成超声马达，具有体积小、相应快、精度高和无电磁感应等特殊性 能【2 】。 将超声技术与生物医学相结合，即形成生物医学冲分支学科。近年来，超声诊断在 医院中已普遍推广，许多疾病都可由超声诊断仪器早期发现。超声多普勒成像系统可以 对颅脑内血管及血流情况以彩色图形进行实时显示，甚至发展至日对全身各部位的血流进 行多普勒彩色图形显示。大功率超声还可以使人体局部加热，并且超声波的振动可以进 入人体，热效应、振动效应以及由强振动引起的空化效应均可以用于治疗疾病，促进药 物的扩散，甚至用于外科手术，如眼科手术、骨骼修复，肿瘤消除等。 1 1 功率超声的应用 1 1 。1 超声清洗 运用于工业清洗的清洗方式一般为人工清洗，有机溶剂清洗、蒸汽气相清洗、高压 水射流清洗和超声波清洗。超声波清洗被国际公认为是当前效率最高、效果最好的清洗 方式，其清洗效率达到了9 8 以上，清洗洁净度也达到了最高级别。而传统的人工清洗和 有机溶剂清洗的清洗效率仅仅为6 0 7 0 ，即使是气相清洗和高压水射流清洗的清 洗效率也低于9 0 。不论工件形状多么复杂，将其放入清洗液内，只要是能接触到液 体的地方，超声波的清洗作用都能达到。尤其是对于形状和结构复杂、人工及其它清洗 功率超声在金属凝固过程中的应用研究 方式不能完全有效地进行清洗的工件，具有显著的清洗效果。清洗时液体内产生的气泡 非常均匀，工件的清洗效果也非常理想。超声波清洗可根据溶剂的不同达到不同的效果， 如：除油、除锈或磷化。配合清洗剂的使用，加速污染物的分离和溶解，可有效防止清 洗液对工件的腐蚀。由于超声波清洗本身具有其它物理清洗或化学清洗无可比拟的优越 性，因此广泛应用于日常生活、电子业、制药工业、实验室、机械业、金属工业、化学 工业等诸多领域i j j 。 超声清洗中，换能器将电源所提供的电能转变为超声机械振动，并传入清洗液中。 当液体中有声波传播时，会产生空化现象，空化核在周围产生上千个大气压，破坏不溶 性污物而使它们分散于清洗液中。蒸汽型空化对污层的直接反复冲击，一方面破坏污物 与清洗件表面的吸附，另一方面也会引起污物层的破坏而脱离。气体型气泡的振动能对 固体表面进行擦洗，污层一旦有缝可钻，气泡还能“钻入”裂缝中作振动，使污层脱落。 由于超声空化作用，两种液体在界面迅速分散而乳化。当固体粒子被油污裹着而黏附在 清洗件表面时，油被乳化，固体粒子即脱离。 声流和辐射压是大振幅波在媒质中传播时产生的非线性现象。空化气泡在振荡过程 中会使液体媒质本身产生一种环流，即所谓声流。它可使振动气泡表面处存在很高的速 度梯度和黏滞应力，促使清洗件表面污物的破坏和脱落。超声空化在固体和液体界面上 所产生的高速微射流能够出去或削弱边界污层，腐蚀固体表面，增加搅拌作用。加速可 溶性污物的溶解，强化化学清洗剂的清洗作用。大振幅波在媒质中传播使声场中的物体 受到一个力的作用，这个力叫辐射力，对清洗也起到一定作用。此外，超声振动在清洗 液中引起质点很大的振动速度和加速度，亦使清洗件表面的污物受到频繁而激烈的冲 击。 随着机械、电子、航天航空、邮电通讯、光学仪器、医疗器械等产品向高科技、高 精密、高可靠性、高集成度及微型化发展，产品的清洁度越来越受到重视。清洗质量的 好坏，直接影响到产品的性能和可靠性，清洗已成为产品生产过程中的一项非常重要的 工序。而人们广泛使用的人造化学物质清洗剂属于o d s ( 臭氧耗损物质) ，目前，国际社 会都在积极研究替代o d s 清洗技术和工艺的新方法，超声波清洗技术以其独特的优势 而备受重视m j 。 兆赫级超声清洗技术是也是近年发展起来的新技术，是指采用频率7 0 0k h z i m h z 的超声波进行清洗。其特点是声波传播方向平行于被清洗表面，其机理一般认为是声压 梯度、粒子速度及声流的作用，空化效应在此不起主要作用。另外将超声空化用于管道 清洗技术中，发现用超声清洗技术时，在停产过程中产品产量的损失是传统清洗方法的 约1 0 ，而停产过程中的水的使用量仅是传统的清洗方法的约2 6 7 1 。 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 1 1 2 超声焊接 超生焊接是通过超声振动实现固体焊件粘接的一种工艺方法。与传统的其他焊接方 法比较，超声焊接有一些较突出的特点，例如可以焊接异种金属，能够把金属薄片或金 属箔焊接到较厚的金属板上，对焊表面的焊前处理要求不高，可以焊接塑料件特殊部位 等。因此，超声焊接得到日益广泛的应用。田修波等人论述了功率超声在金属、塑料等 焊接领域中的应用【8 1 。目前，超声焊接已广泛应用于集成电路引线焊接。阮世勋等进行 了金属超声连续焊接的可行性试验及对影响金属超声连续焊接的速度、压力和功率等因 素的工艺优化正交试验，阐述了这些因素对金属超声连续焊接的影响规律【9 】。 1 i 3 超声加工 超声加工是利用超声振动的工具在有磨料的液体介质中或干磨料中产生磨料的冲 击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料，或给工具或工件沿一定方向 施加超升频振动进行振动加工，或利用超声振动使工件相互结合的加工方法。超声加工 系统由超声波发生器、换能器、变幅杆、振动传递系统、工具、工艺装置等构成。超声 波发生器的作用是将2 2 0 v 或3 8 0 v 的交流电转换成超声频电振荡信号；换能器的作用 是将超声频电振荡信号转换为超声频机械振动；变幅杆的作用是将换能器的振动振幅放 大；超声波的机械振动经变幅杆放大后传给工具，使工具以一定的能量与工件作用，进 行加工【1 0 1 。 i 1 4 超声材料制备 功率超声制备纳米材料技术属于物理化学综合制备技术得到了广泛应用，主要包括 超声声解法、声化学还原法、超声沉淀法和超声微乳液。早在1 9 8 1 年，s u s l i e k 及其合 作者就进行了超声对于金属羰基化合物的作用研究，当用超声辐照f e ( c o ) , 的癸烷溶液 ( 通入a r 气) ，伴随f e ( c o ) 1 2 聚集体的形成还生成了非晶态纳米铁。利用声化学还原 的方法，制备出了纳米银粒子、纳米晶m o s i 2 等。李光等人在铜氨络合溶液中旎加超声， 沉淀析出了粒度均匀的氧化铜粉体【1 1 。 在金属荣体中施加超声振动，然后加入增强体或纤维，增强了润湿的效果，可以制 备出高质量的复合材料。陈锋【1 3 】等制备了a 1 陶瓷、z a 2 2 陶瓷等金属基复合材料，使弥 散相在基体中分布均匀。潘进【1 4 】等人利用超声液相浸渗制备了柬丝纤维增强铝预制丝， 并开展了颗粒增强金属基复合材料的制备研究。德国的s a r t o r _ 【1 5 等人研究了m 2 0 3 颗粒 增强s n - t i 复合材料的冷却速度、颗粒含量与颗粒分布状况及材料性能的关系。 功率超声在金属凝固过程中的应用研究 1 2 超声处理应用于金属凝固的研究 早在1 9 3 5 年，s o k o l o v e l6 】就利用超声振动装置对纯金属( a 1 ，z i l s n 等) 进行了振动 凝固研究。超声振动的赢能量以及其特殊效应提高了熔体处理的效果，随着新型大功率 超声换能器的出现，系统研究超声熔体处理成为可能i l ”。 e s k i n 1 8 “j 研究认为超声熔体处理可以除气、净化、精炼金属，形成非枝晶组织。对 高纯铝进行超声波处理，处理后拉伸强度从5 4 m p a 提高到7 0 m p a ，硬度从h b l 7 2 提高 到h b l 9 7 ，同时延伸率也得到了改善。在m g 合金的凝固过程中采用超声处理可以明显 除氢及细化晶粒。在连续铸造中，用超声波处理灿- s i 合金，也取得了良好的效果，对 初生s i 相的细化作用十分显著。 a b r a m o v 和g u r e v i c h 使用超声波处理具有不同点阵结构的纯金属，结果表明超声处 理能够使具有不同点阵结构的金属晶粒细化，力学性能提高瞄】。a b r a m o v 将超声熔体处 理应用于半固态a 1 s i 合金，提高了合金触变性能，认为空化泡崩溃可以打碎六边形的 初晶硅、树枝晶。通过分析超声场作用下金属凝固机理和凝固后组织结构变化，探讨了 空化与声流的形成及作用机理 2 睨s j 。 李英龙例等将功率超声作用于金属凝固结晶的全过程，研究了超声处理对共晶及过 共晶a 1 s i 合金组织和性能的影响。实验结果表明，适宜参数的超声处理使初生s i 和共 晶s i 相显著细化，断裂并呈粒状分布，合金的强度和塑性明显提高。 赵忠兴【3 l 】等采用底部导入方式对铝合金进行超声处理，经超声处理的合金组织得 到明显细化，树枝晶被打碎，形成均匀的等轴晶组织。分析了超声波导入方式对合金显 微组织的影响，探讨了超声波在铝合金熔体中的传导距离与显微组织细化的关系。认为 超声波在液体中传播时，将会产生周期性的应力和声压变化，在声波的波面处形成很强 的压强梯度，产生局部的高温高压效应，这种效应导致瞬间的正压、负压变化，致使结 晶过程中固液界面正在形核、长大的晶胚脱落下来，被超声波振动作用下的合金液带 到整个熔体的各个部位，从而改变了固液界面的结晶方式。 h a n b i n gx u 3 2 1 等采用频率为2 0 k h z ，最大功率为1 5 0 0 w 的超声处理a 3 5 6 铝合金， 在不同的凝固过程中除气，降低样品的气孔率。这一系列动力学过程是凝固时间、熔体 温度、氢气含量及浓度的函数。 x j i 锄【3 3 1 等人在一系列不同固态分数条件下，采用钛合金变幅杆导入a 3 5 6 合金熔 体进行处理，得到了球状的细化晶粒。空化效应使熔体产生了更大的过冷度，功率超声 诱发了不同种类的形核扮演了比树枝晶破碎更重要的角色。 - 4 - 大连理工大学硕士学位论文 冯伟骏】等采用高能超声处理p b s n 合金，研究发现经过功率6 0 0 w 的超声处理后， 先析出相的析出温度升高3 ，凝固温度升高了5 。随着超声功率的增加，合金组织 的细化程度提高，但功率提高到一定程度时，细化作用减弱。 胡化文【3 5 】等通过在7 0 5 5 铝合金熔体浇铸前作超声处理，认为是空化作用活化了熔 体中微小的杂质( a 1 ：魄) ，使其成为结晶核心，从而促进了形核。因此能细化晶粒和均 匀化组织，提高其抗拉强度，并大幅提高塑性。 高守雷口6 l 等采用超声处理s n - l o 5 w t s b 包晶合金，在熔体温度为3 0 0 c 时细化效 果最为显著。不仅细化a 相和b 相晶粒组织，同时使具有立方晶体特征的b 相组织有明 显的球化趋势，消除了密度偏析。他们认为，当锡锑包晶合金熔体导入超声波以后，产 生了空化效应。在空化泡形成长大过程中，其尺寸迅速增大，导致内部的液体蒸发。空 化泡的增大和内部液体的蒸发会从周围吸收热量，导致空化泡表面的金属溶液的温度降 低，造成局部过冷，因此在空化泡的附近形成晶核，使形核率增加，组织得到细化。在 空化泡的崩溃过程中，产生的强烈冲击波将会击碎初生晶体和正在长大的晶体，使之成 为破碎的晶体质点，在声流的搅拌作用下，又使其弥散地分布于熔体中，相当于增加了 外来核心，提高生核率，同时抑制了晶体的生长，所以凝固后基体晶粒细小均匀。 1 3 课题研究意义及应用价值 在凝固过程中，最终铸坯力学性能和物理性能与铸造缺陷和晶粒大小密切相关，消 除铸造缺陷、晶粒均匀细化会使力学性能和物理性能得到很大的改善和提高。因此对凝 固过程加以控制来获得均匀细化的晶粒是现代研究的热点。为了得到均匀细化的凝固组 织，防止偏析的产生，目前主要采取的措施有：( 1 ) 变质处理。这种方法的主要问题是在 添加变质剂过程中会形成烟气，对环境造成污染。此外，变质剂还会对金属液本身造成 污染。( 2 ) 控制浇注温度。这种方法对凝固组织的细化有一定作用，但在改变凝固组织 形态方面的作用却十分有限，而且会受到生产条件的限制。( 3 ) 提高冷却速度使液体金 属获得大的过冷度，形核率增加，使晶粒细化。但快速冷却会产生内应力等缺陷。( 4 ) 机械搅拌。这种方法工艺简单，成本低，具有广泛适应性。但是机械搅拌易于卷入空气 和其它的一些氧化夹杂物，对金属液会造成不可避免的污染 3 7 1 。 关于物理场对金属凝固过程作用的研究始于2 0 世纪3 0 年代，而后一直无大的进展。 这一方面是由于对高密度电流、超强磁场和超声波大功率的要求制约了该技术的应用， 另一方面材料领域孕育处理、变质处理和微合金化等凝固细晶技术在这一时期发展很 快，人们更愿意接受工艺简单的凝固细晶技术。值得注意的是，进入2 l 世纪后，“材 功率超声在金属凝固过程中的应用研究 料环境协调性”理念的问世，对传统的凝固细晶技术提出了质疑，物理场细晶强化成为 处理金属材料的理想手斟3 8 m l 。与此同时，物理、材料和电子等领域科学技术的飞速发 展使大功率电场、磁场和超声场等物理手段的产生成为可能。虽然人们已很清楚，超声 等具有显著细化晶粒、改善材料内部质量和性能的作用，但至今人们对超声细化机理的 认识仍很不明朗，对超声波凝固细晶的规律和条件尚不清楚。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 2 功率超声的基本理论 2 1 声学基本原理 2 1 1 超声场及介质的声参量 1 质点的位移和振幅 声波是机械振动能量的传播形式，当声波在媒质中传播时，会引起传声质点的振动 而形成声波【4 2 】。当声波传播时，处于时刻t 的质点相对其位移x 可以表示： x = s i n 2 ，r f l( 2 1 ) 式中：勋为位移振幅；为声波频率；t 为时间 对时间t 微分，得到质点振动速度表达式： 4 0 矿= 兰= 碥c o s 2 x t ( 2 2 ) “l 2 声压 超声场中某一点在某一瞬间所具有的压强与没有超声场存在时同一点的静态声强 之差叫做声压1 4 3 1 。当声波的传播方向与质点振动方向一致时，在传声媒质中形成交替变 化的拉伸和压缩变形，质点就会产生疏密相间的纵向波动，产生压缩区和稀疏区，这种 波称为纵波。在压缩区内，压力将增高；而在稀疏区内压力则降低。如同质点位移一样， 传声媒质中任何一点的声压只都是时间t 与频率，的函数。 只= 只s i n 2 7 r f ( 2 - 3 ) 3 声场中的能量关系 声波传播到原先静止的介质中，方面使介质质点杂平衡位置附近来回振动起来， 同时在介质中产生了压缩和膨胀的过程，前者就使介质具有了震动伍的动能，后者使介 质具有了形变位能，两部分的和就是由于声扰动使介质得到的声能量，扰动的传播使声 能量也跟着转移，因此可以说声波的传播过程实质上就是声振动能量的传播过程。 声能密度 设想在声场中取一足够小的体积元，原先的体积为玩压强岛，密度为p d ，由于声 扰动使该体元得到动能为 露- - 寺( p o z o ) l ，2 ( 2 4 ) 质团的体积在声波作用下由变为v = m o p ，因此得到势能 功率超声在金属凝固过程中的应用研究 = 一f ：a p d v = 一( 矿 ( 2 5 ) 式d e 负号表示在体积元内压强和体积的变化方向相反。考虑到体积元在压缩和膨胀 的过程中质量保持一定，则体积元体积的变化和密度的变化之间存在着关系 塑：一譬( 2 6 ) 对于小振幅波，则可简化为 d v = 一d p v 。 ( 2 7 ) 岛 a p = p = c 2 ( p p o ) ( 2 8 ) 所以 耳= c 2 ( p 一岛如瓦g o = 丽v oc 2 ( p 一岛) 2 = 专k ( 2 - 9 ) 体积元在声波作用下获得的总能量e = 昱_ 一昂，即 占= 反+ = 圭p o g o “2 + i 1 万p 2 ( 2 1 0 ) 定义：介质由于声波的作用得到的能量为声场的声能，单位体积声能称为声能密度， 用r 表示 占：导：l p o u 2 + i 1 可p 2 ( 2 1 1 ) 占2 瓦2 2 p o u 2 + j 万 ) 声场中各点甜，p 不同，因而各点的声能密度不等，同时u ，p 是时间的函数，所以声 能密度p 也随时间而变化。 声能流密度 波在介质中传播时，相应地能量随着振动状态沿波的传播方向传播。因此引入介质 d e 能流的概念。设想在理想介质中发射一脉冲声，如果介质的声能损失很小，则随着脉 冲传播，声波能量也向前传播，这样在声波传播方向的一些观测者都陆续收到一个脉冲 声。因此声波传播过程中声能是从一个区域流向另一个区域。定义单位时间内通过垂直 与能量传播方向的单位面积上的能量，为声流密度。，它是一个矢量，类似电路中的瞬 时功率。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 声能本质是一种机械能，它在数值上等于声波使介质质点震动而做的功，声波在落 面上作用力为f = p d $ ，如果在廖的时闻内面积西上质点移动了距离df ，那么在击时 间内流过面积凼的声能就等于作用力f 与位移的乘积。 f d = p d s d 根据上述定义 ( 2 1 2 ) 甜：_ p d 万s d f ；p 警：p u ( 2 1 3 ) 甜2 百2 p 言2 ) 由此可见，声能通过单位面积的能流瞬时值在数量上等于该点声压和质点振速的乘 积，在方向上是沿着甜的方向的；由于各点处p 和”的相位不一定相同，因此p ，甜 的乘积可正可负。当它为正时表示能流沿传播方向流出，当它为负时表示能流向传播方 向的反方向流动。在振源表面附近能流为正时，表示振源做功即辐射声能；能流为负时， 表示振源做负功，即声场将能量交回振源。 4 声强与声功率 取能流密度的时间平均值( 周期t 中的平均) 表示声波的能量的强度，简称为声强， 以i 表示 ，：三f 础出 t 由1 ( 2 1 4 ) 即声场中任意一点的声强是通过与能流方向垂直的单位面积上的能量的平均值，单 位是w a 2 ，声强可以类比与电路中的有功功率。根据声强的定义，它还可以用单位时 间内、单位面积的声波向前进方向毗邻介质所做的功来表示，因此它也可写成 ，= 1f 。r e ( p ) r e ( “) 出 ( 2 1 5 ) 式中r e 表示取实部。显然，在声场中声强决定于声压和质点振速的幅值以及它们 之间的相位差。 1 j = p 脚e o s p ( 2 1 6 ) 二 式中，p m ，为声场某点声压和振动速度的振幅值，p 为p 和鲇之间的相差。 定义单位时间内通过垂直与声波传播方向的面积s 上的平均声能量为平均声功率， 以野么表示，因为声能量以声速c 传播的，因此声功率等于声场中面积为s ，高度为c 的柱体内所包括的平均声能，所以 形= 邪s( 2 1 7 ) 声功率的单位为w ( 瓦) ，1 w = i n m s 功率超声在金属凝固过程中的应用研究 根据定义同样用声强也可以表示声功率，有 呒= i i l d s ( 2 1 8 ) 5 声阻抗率与介质特征阻抗 我们定义声场中某一点声压与该点的质点振速的比值为该位置的波阻抗，又称声阻 抗率。 乙= 旦 ( 2 1 9 ) 声场中某位置的声阻抗率乙一般讲可能是复数。像电阻抗一样，其实数部分反映 了能量的损耗。在理想介质中，实数的声阻抗率也具有“损耗”的意思，不过它代表的 不是能量转化为热，而是代表着能量从一处向另一处的转移，即“传播损耗”。对于平 面波z o = p o c o 。由此可见，在平面波声场中，各位置的声阻抗率数值上都相同，且为一 实数。因此在平面声场中，各位置上都无能量的蓄存，在前一个位置上的能量可以完全 地转移到后一个位置上，这是平面波的一个重要特点。 注意到乘积值是介质固有的一个常数，我们定义常数z d = p o e o 为介质的特征阻抗， 它完全是由介质的性质决定的，与介质中传播的波无关。可以看出平面波的阻抗恰好等 于介质的特征阻抗，如果借用电路中的语言来描述此时的传播特性，可以说平面波处与 介质的特征阻抗相匹配。 2 1 。2 超声波的反射和透射 反射、折射和透射是声传播的重要特征。超声波在传播路径上常常会遇到各种各样 的障碍物或边界，当超声波从一种介质进入到另一种介质时，在介质界面处就会产生反 射和折射( 或透射) 现象，如图2 1 所示。当超声纵波倾斜入射( 0 0 吼。 9 0 0 ) 到声 阻抗不同的固体一固体界面时，在第一介质中产生反射波，在第二介质中产生折射波； 当垂直入射( 口。= 0 0 ) 时，在第一介质中产生一个与入射方向相反的反射波，在第二 介质中产生一个与入射方向相同的透射波。反射波与透射波的声压是按一定比例分配 的，这个分配比例由声压反射率r 和透射率r 来表示，r 及r 与两种介质的特征阻抗 乃、乃之间存在如下关系： 丑= 譬= 等 (220)z 口f，+ z 7 丁= 譬= 等 ( 2 2 1 ) p iz ，+ z 1 。 大连理工大学硕士学位论文 z = p l u s = p c s ( 2 2 2 ) 式中，仇肼，a 入射波、反射波和折射( 透射) 波的声压；z 。一介质的特征阻抗； p 一超声波的声压：犷一超声波质点振动速度；p 介质的密度；r 介质 的声速；卜超声波通过介质的面积。 以上三式说明，超声波垂直入射到平界面时，声压的分配比例仅与界面两侧介质的 特征阻抗有关。声压与声波质点振动速度之比称为特征阻抗，特征阻抗也等于介质密度 与介质声速酌乘积。 纵波入射 工 诳 固体1 固体2 ， 默7 z w 图2 1 超声波在固一固平界面上的反射与折射 1 ) a t l ( ) ，口f l ，届2 ( 肛2 ) 纵波入射( 反射) 角、横波反射角、纵波( 横波) 折射角 2 ) l ( 工) ，r ，r ( r ) 入射( 反射) 纵波、反射横波、折射纵波( 横波) f i g 2 1u l t r a s o n i cr e f l e c t i o na n dr e f r a c t i o no np a r a l l e ls o l i d - s o l i di n t e r f a c o 1 ) 嘶l ( ) 口| 1 届2 ( 屈2 ) i n c i d e n c e ( r e f l e c t i o n ) a n g i eo fl o n g i t u d i n a l w a v e ，r e f l e c t i o n a n g l eo f t r a n s v e r s e sw a v e ，r e f r a c t i o na n g l eo f l o n g i t u d i n a l ( t r a n s v e r s e s ) w a v e 2 ) 三( 工) ，r ，工。( r 。) l o n g i t u d i n a lw a v eo f i n c i d e n c e ( r e f l e c t i o n ) ，t r a n s v e r s e s w a v eo f r e f l e c t i o n , l o n g i t u d i n a l ( t r a n s v e r s e s ) w a v eo f r e f r a c t i o n 功率超声在金属凝固过程中的应用研究 2 2 大功率超声的传播特性 在线性声学中，单频声在线性介质中传播时，除了它的振幅衰减和相位变化之外， 其波形并不发生变化；而在非线性声学中( 如由大振幅产生的运动非线性或是介质不均 匀产生的非线性) ，单频声波会产生它的谐波、分频波、和频波以及差频波。由于这些 波的出现，波的叠加原理不再成立，必须用非线性的声学方法来研究。声传播速度与流 体压力成正比，压缩的峰值处的压力就比别处压力大。所以压力峰值附近指点运动速度 就比较快，快的愈快，慢的愈慢，声压的波形就会变成锯齿形，这就是声的非线性现象。 振幅大的声波会发生由正弦波变成锯齿波，又变成正弦波的过程。因为正弦波变成了锯 齿波，就出现的高次谐波，把基波的能量转化为高次谐波，高次谐波的频率高，在介质 中吸收衰减快，所以传播不了多少距离就衰减完了，波形又恢复成正弦波嗍。 2 2 1 再限振幅波的波动方程 在强功率发射时，声场中的基本量比较大，于是在流体介质中运动时的非线性项( 即 二阶小量) 不可忽略。设声场中质点振动速度可表示为 u ( x ，t ) = 甜。s i n ( a 寸一h )( 2 2 3 ) 式中为振幅值，则 卜剖比：= 弘 ( 2 2 4 ) 俐一。 定义协= 卜剖1 剖，称为声马赫数，把上述( 2 2 4 ，2 2 5 ) 式代入得 缸：竺生 佗2 6 ) 声马赫数愈大，非线性项愈不能忽略。同样，i “剖与l 剖的比值与上述的胁的量 级相同，因此，声马赫数是描述非线性项大小的一个重要参量。 理想介质中，小信号波形中任意一点的信号速度都相等，而有限振幅波中，各点扰 动的信号速度与各质点振动速度的大小有关，它应由非线性基本关系导出。有限振幅平 面声波在无黏性损耗的理想流体介质中，考虑沿x 方向传播的一维情形，在计算非线性 项后，介质的运动方程为 大连理工大学硕士学位论文 鲁+ ”罢+ 土罢= 0 ( 2 2 7 ) a缸p 良 7 连续性方程 粤+ p 罢+ 。罢：0 ( 2 2 8 ) 西缸舐 、7 状态方程 譬= p ( 力】2 但29)a p 在理想介质中，对于绝热过程而言，质点速度“及声速c 都是密度的单值函数，即 有甜= “( p 1 ，c = c ( p ) ，而p 是的单值函数p = p ，所以得到 和捌 d p d d u ( 2 3 0 ) 由于p 是“的单值函数，所以p 和“的信号速度应 所以( 考 2 = b 2 ，其中c 2 = 考，因而有 忙铲赶瑶 得到信号传播速度 ( 刳。= ( 飘一c 积分后可得 善= 0 士c + 0 ) 其中删为 的任意函数。非线性流体力学方程的一般解， 示为： “= f f x 一( 甜e ) t l ( 2 3 2 ) ( 2 3 3 ) ( 2 3 4 ) 也称黎曼解。也可以表 ( 2 3 5 ) 功率超声在金属凝固过程中的应用研究 式( 2 3 5 ) 表示了大振幅声波的波函数，它确定了每一个时亥4 波的形状，因此它可以描 述理想介质中有限振幅波传播的特征。由于质点速度振幅不是无限小，因而有限振幅波 不是以c 的速度而是以u c 的速度传播。 如考= ( 玎c ： 回 代入拿= 三，积分并设p ：岛时= 毋则 挚脚鲁岍_ , , - 1 l k 矗p o ) 亿研 = 二n - | p c o ) c = c o 士掣甜 ( 2 3 8 ) 3 8 ) c = c o 士= 一甜 嵋- 时( 即, 4 t 。时刻，正弦波波形畸 变成虚线所示波形。若声波强度足够大，会在波前上形成间断面，它和爆炸波形成间断 面的冲击波相似，形式上看，波继续传播似乎会变成点划线波形，但实际上不可能，因 功率超声在金属凝固过程中的应用研究 为在锯齿波形成以后，上述理论中等熵绝热过程的假设已不成立。事实上，在同一时刻 的速度( 或者其他描述声波的量如声压、加速度、密度等) 不可能有三个不同的值，即 在介质中声振动的基本量不可能变成多值函数。这时由于非线性效应的积累，在一定距 离上总会形成锯齿波，发生了波的间断，引起介质连续性的破坏。 当传播的波形形成间断时有罢= o o 或罢= 0 则发生间断的临界距离为 2 未2 而2 p o l 0 3 。， 上式表明，形成间断的距离反比于初始的声压和质点速度幅值。 由声马赫数m a = 塑，则 c o 五 耳2 n ( n + 1 ) m a r 2 4 4 ) 形成间断的距离与声马赫数成反比，肠愈大，则黾愈小。也就是说，当初始正弦 波的声压振幅愈大或质点速度愈大，则在离声源很短的距离上就变成锯齿波。当施很 小时，则以就很大，即要在相当长的距离上才会形成锯齿波。 2 2 3 畸变波形的谐波分析 有限振幅波区别于小振幅拨的一个重要特点是，角频率为d 的有限振幅波在传播过 程中波形发生了非线性畸变。根据傅里叶分析可知，任何一个非正弦波形的周期函数都 可以展开成频率为。，2 ，3 口，7 m 的简谐函数的组合，即可以将频率为。的正 弦波形的畸变理解为在传播过程中产生了除频率为。外的其他谐波成分，并且随着距离 的增加，高次谐波分量的作用将更加明显。 设平面波声源做正弦振动，在声源表面x = o 处，振速为： 甜= s i n t m t( 2 4 5 ) 声场中质点振速的波函数： u ( x ，t ) = u ms i n c o 卜可碉丽 ( 2 4 6 ) 大连理工大学硕士学位论文 其中p i c o l ，即大雷诺数时，声波强度很大，而黏性作用又相对较小，因此非线性 效应很强，介质黏性阻力不能阻止高次谐波的不断增长，最后在介质中会形成稳定的锯 齿波形的传播。在此稳定区中，声能量在间断面薄层内损失很大，表现出很强的介质吸 收。 当r e “1 ，即小雷诺数时，由于非线性畸变效应和黏性阻力的作用，一方面基波 能量不断变换为高次谐波能量，另一方面高次谐波的能量又更快地被介质所吸收，两种 因素作用的结果，使畸变的波形也有一段稳定区，但它不致形成锯齿波。对整个声波来 说，声能的衰减比小振幅声波显著地大。 2 2 5 基本效应 一般来说，功率超声对媒质有四个基本作用1 4 5 ：第一，振动作用。超声波在媒质 中传播时必然使媒质粒子作交变振动，并引起媒质中的应力或声压的周期性交化，从而 引发一系列次级效应；第二，周期性激波作用。功率超声的大振幅振动在媒质中传播时， 所形成的锯齿形波阵面的周期性激波，这在波阵面处将形成很大的压强梯度，因而能造 成局部的高温、高压等一系列特殊效应；第三，力学作用。功率超声将引发媒质振动的 非线性，媒质振动的非线性会引起相互靠近质点间的伯努利力，以及由黏度的周期性变 化引起的直流平均粘滞力。第四，空化作用。空化作用是只能在液体媒质中才能出现的 一种重要的作用。 1 辐射压力 无边界自由声场中辐射压力表示为： 大连理工大学硕士学位论文 只= 一i 1 风”_ - t + 圭露确如= p 一岛) ( 2 5 2 ) 2 声流 气体或液体媒质中有强声波传播时，往往会引起一种非周期性的运动，这种现象成 为声流。声流包括体声流和微声流【拍1 。根据产生方式，体声流可以分为：一类起源于自 由空间中声波的衰减；另一类则因媒质与其接触的固体之间的摩擦引起，包括媒质中存 在振动体或障碍物、声波沿波导传播、容器中存在驻波场等情况。微声流是指媒质中与 微小空化泡相联系的局部流动。 声流也比质点速度小得多。声流对破坏附面层，加速传质传热，以及清除表面污垢、 杂物非常有效。根据质量定律，流体中的声流速度为： “，= 石+ 岛“2 p o ( 2 5 3 ) 声流总的是旋转性的，声流通常比质点速度d , - - 、四个数量级。声流也称为声风、 石英风。 3 空化 在液体中，高声强可产生空化气泡，也可使其破碎。空化气泡的脉动理论非常复杂， 作适当简化【4 7 】：假设( 1 ) 液体不可压缩，( 2 ) 蒸汽压力可以不计，( 3 ) 气泡中的空 气不变，( 4 ) 气泡半径比波长小得多。可以推导出诺庭奈庇拉( n o l t i n g h - n e p p i r a s ) 方程【4 8 l ，气泡由于声压只s i n m t 引致的脉动方程： 2 风r r , 2 + 4 s = 2 r 卜o j t - p o + ( 昂+ 翻爿 式中，岛是液体密度，s 液体的表面张力，口气泡的原始半径，n 液体中的静压力