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日本HONDA本多超聲波音壓計SONOSABER-DX：0.1 μPa瞬態(tài)空化捕捉

發(fā)布時間： 2025-12-22　　點(diǎn)擊次數(shù)： 62次

空化泡從成核到崩潰，全過程僅數(shù)十微秒，卻釋放高達(dá) 10 MPa 的局部峰值壓力
。傳統(tǒng)壓電傳感器受限于 100 kHz 級諧振頻率，只能記錄“事后"平均信號，無法還原瞬態(tài)尖峰。日本 HONDA 本多電子推出 SONOSABER-DX，以 0.1 μPa 的聲壓分辨率和 10 MHz 寬帶捕獲能力，把“空化瞬態(tài)"做成可回放、可定位、可量化的波形數(shù)據(jù)，為液壓泵、船舶螺旋槳、HIFU 提供毫秒級空化預(yù)警。本文基于公開實驗報告，拆解其硬件架構(gòu)與現(xiàn)場表現(xiàn)。
一、系統(tǒng)定位：讓空化“聲"被看見
聲壓分辨率 0.1 μPa（@ 1 MHz），相當(dāng)于水中 1 mm 處 1 µm 泡崩潰的可探測閾值
；
帶寬 50 kHz–10 MHz，覆蓋空化寬帶噪聲與單泡諧振峰；
32 通道并行采集，可給出空化云的空間-時間-強(qiáng)度三維圖；
實時輸出 RMS、峰值因子、沖擊概率密度，用于在線報警或閉環(huán)控制。
二、硬件架構(gòu)：PVDF 陣列 + 寬帶前端
激光微加工 PVDF 陣列
4.5 mm × 5 mm 貼片，厚度 28 µm，通過激光蝕刻形成 1×8 線陣；電極間隙 50 µm，理論空間分辨率 3 mm
。
低噪聲電荷放大器
輸入端等效噪聲 0.05 fC·Hz?1/2，折合 0.1 μPa 聲壓；采用 SiC-JFET 前端，1 MHz 處電壓噪聲 0.9 nV·Hz?1/2，保證 10 MHz 信號不衰減。
10-bit 200 MS/s 并行 ADC
單通道數(shù)據(jù)率 2 Gb·s?1，板上 DDR4 緩存 8 GB，可記錄 4 s 連續(xù)波形；觸發(fā)后 1 ms 預(yù)觸發(fā)深度，確保“空化聲"不丟失。
相位相關(guān)定位算法
利用 32 通道到達(dá)時間差，結(jié)合聲速 1480 m·s?1，可在 50 µs 內(nèi)定位 5 mm3 體積內(nèi)的空化源，誤差 ≤ ±2 mm
。
三、軟件算法：從波形到“空化圖"
RMS 包絡(luò)：1 ms 滑動窗，輸出空化強(qiáng)度-時間曲線；
峰值因子 C：C = p? / p_RMS，當(dāng) C > 12 判定為瞬態(tài)崩潰（inertial cavitation）；
沖擊概率密度 PDF：統(tǒng)計 100 ms 內(nèi)峰值超過 1 kPa 的事件，用于評估材料侵蝕風(fēng)險；
3D 云圖：把 32 通道強(qiáng)度映射到 xyz 網(wǎng)格，實時顯示空化云遷移路徑。
四、現(xiàn)場驗證：泵入口瞬態(tài)空化實驗
試驗對象：汽車電子水泵，轉(zhuǎn)速 5400 r·min?1，流量 1.25 m3·h?1，入口壓力 0.131 atm（已出現(xiàn)空化）[60]。
布置：SONOSABER-DX 陣列貼于泵殼外壁，距葉輪 20 mm。
結(jié)果：
空化起始周期 t = 0.21T（T = 11.1 ms）出現(xiàn) 0.3 MPa 尖峰；
10 ms 內(nèi)記錄 47 次 > 0.1 MPa 事件，PDF 峰值位于 0.18 MPa；
與高速攝影對比，空化云脫離位置誤差 1.8 mm，相關(guān)性 R = 0.93
。
五、應(yīng)用速覽
船舶螺旋槳
在 1:10 模型槳轂布置 4 條陣列，實時輸出梢渦空化強(qiáng)度，用于調(diào)整槳距降低噪聲 3 dB。
液壓閥
監(jiān)測錐閥口空化，PDF > 100 事件·s?1 時觸發(fā)控制器升壓 0.2 MPa，閥口侵蝕坑減少 70 %。
HIFU
配合 1.16 MHz 治療頭，PCD 接收通道共用，SONOSABER-DX 記錄微泡崩潰瞬間，峰值 12 MPa，確保焦域空化劑量可控
。
六、維護(hù)與校準(zhǔn)
PVDF 陣列每 12 個月進(jìn)行激光校準(zhǔn)，保證靈敏度差異 < ±0.5 dB；
前端電荷放大器 24 h 自校零，溫漂 < 0.02 pC·°C?1；
數(shù)據(jù)備份：波形、PDF、3D 云圖自動存入 SQLite，10 年可追溯。
七、結(jié)語
當(dāng)空化從“可聽噪聲"升級為“微秒級沖擊"，0.1 μPa 的聲壓分辨率就是捕捉瞬態(tài)崩潰塊拼圖。SONOSABER-DX 用 10 MHz 寬帶 PVDF 陣列把空化云拆成 32 通道、毫秒級、可定位的聲壓電影，為泵、槳、閥乃至超聲提供了“看見空化"的新維度。對于追求零侵蝕、低噪聲、高可靠的裝備，它既是研發(fā)階段的“空化顯微鏡"，也是運(yùn)行現(xiàn)場的“早期預(yù)警雷達(dá)"。

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