谐振声场强化纤维素超声微细化效果研究

研究20kHz超声破碎声场条件对纤维素微细化效果的影响。应用柱形声波导理论分析确定并选择合适的超声破碎料腔声场的几何参数,结合声模态方法获得了增强声能密度分布的谐振液位参数,利用有限元方法进行了超声破碎料腔的声场分析,并在2种功率条件进行了谐振液位与非谐振液位的超声破碎试验。结果表明,在谐振液位条件下,破碎料腔声场的声能密度分布与声模态密切相关,且声能密度显著增强,空化作用的分布范围扩大,空化破碎作用明显增强。纤维素超声破碎试验结果显示,与非谐振液位相比,在低功率(140 W)和较短时处理时间(7min)条件下,谐振液位状态超声处理的纤维素平均粒径D_([3,2])和D_([4,3])明显降低。随着超声时间和超声功率的增加,料腔内部声场致流动作用增强,超声场引起的空化效应不再遵循线性声场特点,谐振结构中的破碎能分布被非线性声流扰动,趋同于非谐振超声场的能量分布特性,相同处理条件下的物料粒径差显著降低,但谐振声场仍具有较好的破碎效果。     

声流效应对大豆分离蛋白超声乳化效果研究

目的 研究不同超声功率（0、28、47、69、88、109 W）作用下声流效应对大豆分离蛋白(soy protein isolate, SPI)乳化效果的影响。方法 将声流效应形成机制与有限元方法相结合,对声场内的声流现象进行仿真计算,获取不同超声功率下的声流速度场分布,探究超声空化场分布特性。通过大豆分离蛋白超声乳化实验,对不同功率条件下声流效应产生的空化作用效果进行验证,利用激光粒度分析仪、紫外可见分光光度计、旋转流变仪测量大豆分离蛋白乳化液的粒径、乳化活性、乳化稳定性、表观粘度。结果 增大超声功率可使沿反应器轴向区域相同位置处声流速度值增大,声流效应增强,显著提高(P<0.05)超声空化空间分布范围。声流作用下,对大豆分离蛋白乳化液进行超声处理可显著降低(P<0.05)乳化液平均粒径和粒径分布,提高(P<0.05)乳化活性、乳化稳定性和表观粘度。超声功率为88 W时,乳化效果最佳。结论 超声功率为88 W所产生的声流效应对大豆分离蛋白乳化液的乳化效果影响最为显著,研究成果可为超声乳化的优化研究提供可行的方法。     

大豆分离蛋白超声乳化作用机理

目的：研究大豆分离蛋白超声乳化的作用机理并探究不同超声功率下大豆分离蛋白乳化液的乳化效果。方法：采用不同的超声输入功率（28、47、69、88、109 W）对大豆分离蛋白乳化液进行处理,应用有限元的分析方法,对声场内的声流现象进行仿真计算,获取不同超声功率下的声流流场分布,结合超声空化效应的声致化学发光实验,分析超声空化场的分布特性。同时测定并分析大豆分离蛋白乳化液粒径、乳化活性、乳化稳定性等特性变化。结果：超声的空化效应、声流的空化增强以及声流的分散混合是超声乳化均质稳定的主要作用机理。超声空化效应的破碎均质作用使得大豆分离蛋白乳化液粒径减小,超声功率增大所引起的声流效应一方面可扩大超声空化的作用区域,增强空化效果;另一方面,声流作用下的冲击、回旋、涡流运动可使乳化液充分搅拌、分散和混合,从而有效提高乳化液的乳化活性、乳化稳定性和表观稳定性。乳化效果分析结果表明当超声功率为88 W时,大豆分离蛋白的乳化效果较佳。结论：超声功率的提升能够有效提高大豆分离蛋白的乳化特性。     

超声辅助凝胶化对鲢鱼糜凝胶特性的影响

为了改善鲢鱼糜凝胶的品质,采用超声波辅助强化,定向考察了超声波输出设备内的声场分布,并通过测定鱼糜凝胶强度、持水率、色度、微观结构等指标研究了超声波条件对鲢鱼糜凝胶特性的影响。结果表明:设备内超声波声场分布与换能器的位置存在显著规律,越靠近换能器的区域,声功率强度值越大;当声功率强度达到0.49 W/cm2及以上时,超声波辅助处理可以提高鲢鱼糜的凝胶强度和持水率,且随着声功率强度的增加,鱼糜凝胶强度和持水率呈增加趋势;超声处理对鱼糜凝胶的白度无显著影响。扫描电镜分析显示,0.85 W/cm2超声处理的鱼糜样品,其致密度和均匀度较对照组更好。     

超声波处理对全蛋液流变特性的影响

采用不同超声声能密度(0.4,0.8,1.2,1.6,2.0 W/g)及超声作用时间(0,5,10,15,20 min)对全蛋液进行处理,再用流变仪测其流变特性。试验结果表明,全蛋液是一种假塑性非牛顿流体,具有剪切稀化现象,其流变曲线在温度为0～40℃时服从Herschel-Bulkley模型。随着超声作用时间及声能密度的增大,全蛋液的流变特性指数增大,屈服应力及黏稠系数减小,流动性增加,全蛋液的非牛顿流体特性减弱,牛顿流体特性增强。动态流变试验结果表明,随着超声作用时间及声能密度的增大,全蛋液的损耗模量G"和贮能模量G'均减小,说明全蛋液的黏性特征和弹性特征均减弱,流动性增强,与静态流变试验结果一致。     

铝合金铸造用20kHz超声换能器的非线性设计研究

超声换能器是铝合金铸造过程的核心部件,超声产生的空化腐蚀对铝合金晶粒细化、除渣、除气等有显著的作用。文章在超声换能器的基本理论基础上,采用非线性压电方程,对换能器振动形式进行分析求解,得出了基于非线性的超声换能器的结构和设计参数。并采用有限元分析法对换能器进行模态分析,确定了换能器端面辐射的最佳振动模态及其纵向振动频率。通过实验验证,表明换能器辐射端面在谐振点振幅最大。     

超声波辅助提取过程中声场的数值模拟研究

本研究建立了超声波辅助提取过程的多物理场耦合模型,将超声提取设备在一定功率不同频率下的声场分布可视化。探索不同超声频率和换能器布阵方式对声场均匀性的影响;通过比较不同频率大豆蛋白的提取率验证仿真模型的可靠性。仿真结果表明:圆筒状五频超声设备可以通过调频改善声场的均匀性,但绝对声压会随之减小;筛选出低频20 kHz及共振频率28 kHz、35 kHz处易发生空化效应,预测提取的效果较好。实验结果表明:超声处理能显著提高大豆蛋白的提取率(p0.05)且随着频率的升高效果逐渐减弱;相同条件下,20 kHz、28 kHz及35 kHz超声处理蛋白的提取率比传统碱提分别提高了28.75%、26.78%及18.28%。本研究提出工业生产中换能器矩形布阵并在共振频率处进行提取的作用效果较好。数值模拟降低了试验成本,为频率筛选、工艺优化和设备改进提供了一种新方法。     

超声强化真空干燥全蛋液的干燥特性与动力学模型

为研究超声对真空干燥黏稠食品物料的强化效应,搭建了一套真空超声干燥设备。以全蛋液为研究对象, 进行超声强化真空干燥实验,探讨超声声能密度、超声作用时间、干燥温度对全蛋液干燥特性及微观结构的影响, 并建立动力学模型。结果表明：超声波作用可强化物料内部传质过程,提高干燥速率,且超声强化效应随着声能 密度的增大而增强。此外,超声处理时间不宜过长,当干燥温度为50 ℃,超声声能密度为2.0 W/g持续作用2.5 h之 后,进一步延长超声作用时间对全蛋液干燥过程的强化效果不明显。扫描电子显微镜结果发现,超声处理会使物料 组织间隙增大、连通性增强,同时形成更多的微细孔道,降低水分扩散阻力。对9 种薄层干燥数学模型进行实验数 据的非线性拟合分析,结果显示：Page模型的决定系数R2均大于0.99,均方根误差和残差平方和均小于0.01,拟合 效果最好。因此,Page模型可用来描述全蛋液超声真空干燥过程中水分比的变化规律。以Fick扩散定律为依据,确 定全蛋液干燥传热传质有效水分扩散系数（Deff）的变化范围为：1.645 6×10－9～6.549 7×10－9 m2/s,且随着温度及 超声声能密度的增大而增大。由Arrhenius方程建立有效水分扩散系数与温度的关系,得到全蛋液水分活化能（Ea） 为16.151 2 kJ/mol。实验结果可为全蛋液真空超声干燥工艺参数优化及生产控制提供理论依据。     

超声波辅助煎炸废油酯交换制备生物柴油

选用脱色处理后的煎炸废油为原料(酸值(KOH)4.20 mg/g,水分及挥发物0.072%,皂化值(KOH)197.24 mg/g,平均摩尔质量871.82 g/mol),KOH作为催化剂,采用超声波辅助制备生物柴油,并利用气相色谱对生成物进行分析测试。在前期实验得到反应条件为醇油摩尔比6∶1,催化剂用量为原料油质量1%的基础上,考察超声波对酯交换过程的强化作用。通过无催化剂实验确定超声波强化作用源于空化引起的物理变化,而后研究了反应温度、超声波功率、超声场位置对酯交换反应的影响。通过综合考量体系活性与空化强度得到最佳反应温度为45℃,通过综合考量声场强度及其集中性得到最佳功率为100 W,当反应物相界面处于声场驻波位置即30 mm处,可有效促进酯交换反应的进行,在最佳实验条件下反应5 min,生物柴油转化率可达99.64%。     

均质工艺对制备鱼油微胶囊结构和理化性质的影响

本实验分别利用高压均质、空化射流和超声破碎3 种均质方式制备以大豆分离蛋白和磷脂酰胆碱包裹的鱼油纳米乳液和微胶囊,并对纳米乳液粒径、Zeta-电位、稳定性、黏度、乳化产率及微胶囊形貌、理化性质、稳定性进行比较分析,研究均质工艺对鱼油纳米乳液和微胶囊理化性质的影响。结果发现,空化射流工艺制备的纳米乳液平均粒径小,乳化产率和乳液稳定性较高,经过空化射流10 min制备的微胶囊包埋率达87.44%,溶解度较高,微胶囊颗粒表面形态饱满、致密、无裂纹和空隙,氧化稳定性和热稳定性较好。高压均质和超声破碎制得的纳米乳液平均粒径大,乳化产率和乳液稳定性较低,经过100 MPa高压均质和400 W超声破碎制得的微胶囊包埋率分别为80.36%和78.64%,溶解度相较于空化射流差,微胶囊颗粒表面分别出现微孔和较大的孔洞,氧化稳定性和热稳定性较差。傅里叶变换红外光谱分析结果表明3 种均质工艺均有较好的包埋效果。通过实验可以得出空化射流均质工艺制备的鱼油纳米乳液及微胶囊在产品性能上要优于其他两种均质工艺。本研究可为鱼油纳米乳液和微胶囊产品的均质工艺选择以及应用评价体系的构建提供理论依据。     

废弃羊毛吸声复合材料的制备及其性能

为解决废弃羊毛再生循环利用问题,开发吸声系数高且吸声频带宽的吸声材料,以废弃羊毛为增强材料,乙烯醋酸乙烯共聚物（EVA）为基体材料,通过热压法制备了废弃羊毛/EVA 吸声复合材料。选用传递函数法分析废弃羊毛/EVA吸声复合材料的热压温度、材料密度、废弃羊毛质量分数、材料厚度、后空气层厚度以及废弃羊毛的排列方式等对吸声系数的影响。结果表明：用最优工艺制备的废弃羊毛/EVA吸声复合材料在低中高频都有优异吸声性能;该材料的吸声性能在中低频区域表现突出,在1 000 Hz处吸声系数达到0.9,材料降噪系数达0.65,平均吸声系数为0.6,即该材料为高效吸声材料;为吸声机制声波入射材料内部激发振动,声能转化为动能及热能,使废弃羊毛/EVA吸声复合材料具有优异吸声性能。     

玻璃纤维织物结构参数对隔声性能的影响

 为研究玻璃纤维织物的隔声性能,选择EW100、EW200和EW300 3种不同经纬密度、线密度和层数的玻璃纤维平纹织物,采用混响室－消声室法对织物的隔声性能进行测试,比较分析织物面密度、厚度、透气性、纱线单丝根数等参数对隔声性能的影响。结果表明：随织物面密度、厚度、纱线单丝根数的增加和透气性的减少,其隔声效果增强;玻纤织物对声波高频段的隔声好于中低频段的隔声;玻纤织物的隔声性能不但与织物的面密度有关,还与织物的透气性有关;在透气性较好时,其隔声量对织物的面密度具有一定的加和性,而在透气性较差时,其材料内部对声波的吸收所产生的隔声量贡献远大于面密度的贡献。     

废旧羊毛非织造布的制备及其吸声性能

为研究废旧羊毛纤维非织造材料的吸声性能,利用非织造材料的生产工艺,以废旧羊毛纤维为主要原料,制备一种新型羊毛非织造材料。通过使用传递函数法和驻波管法,对羊毛非织造材料的吸声性能进行了测试,分析了声波频率为250-6300 Hz范围内,材料的厚度、密度和空腔深度对其吸声性能的影响。结果表明,羊毛非织造材料吸声性能优异,对高频的吸声性能优于低频;在中低声波频率,随材料厚度、密度和空腔深度的增加,其吸声性能越好。材料厚度和空腔深度是影响羊毛非织造材料吸声性能的主要因素;通过增加空腔深度提升材料的吸声性能,是较为经济合理的办法。     

扫频超声波提取对花生油脂氧化和流变特性的影响

作为食品物理加工技术,扫频超声能产生一个更有利于改善空化效果的声场,提高了油脂得率,但由于空化效应的存在,导致油脂会发生一定程度的氧化,影响油脂黏度,因此,有必要对油脂氧化和流变特性进行研究。本文中采用压电膜传感器对花生油脂提取过程中本征频率为20 k Hz、40 k Hz和60 k Hz的扫频超声场进行实时监测,根据国标检测油脂氧化性能,利用旋转流变仪测量油脂流变特性。研究发现:花生油脂提取的共振频率是40 k Hz,对应的空化效应最显著;当本征频率小于40 k Hz,电压峰值、频谱振幅覆盖范围和油脂氧化性能值随频率增加而增大、黏度减小;当本征频率大于40 k Hz,电压峰值、频谱振幅覆盖范围和氧化性能值随频率增加而降低、黏度增大。共振频率对应的油脂黏度最小。该油脂是塑性流体,流动特性为宾汉流动,呈剪切稀化趋势。     

玻璃纤维织物结构参数对隔声性能的影响

为研究玻璃纤维织物的隔声性能,选择EW100、EW200和EW300 3种不同经纬密度、线密度和层数的玻璃纤维平纹织物,采用混响室一消声室法对织物的隔声性能进行测试,比较分析织物面密度、厚度、透气性、纱线单丝根数等参数对隔声性能的影响.结果表明:随织物面密度、厚度、纱线单丝根数的增加和透气性的减少,其隔声效果增强;玻纤织物对声波高频段的隔声好于中低频段的隔声;玻纤织物的隔声性能不但与织物的面密度有关,还与织物的透气性有关;在透气性较好时,其隔声量对织物的面密度具有一定的加和性,而在透气性较差时,其材料内部对声波的吸收所产生的隔声量贡献远大于面密度的贡献.     

超声场强化渗透脱水传质机理模型研究

研究超声场强化芋头渗透脱水,探讨芋头失水速率和干物质增加率随溶液质量浓度、温度、超声功率、材料厚度以及超声场下处理时间段的变化规律。分析超声空化泡在相间的传质过程,由此建立超声空化气泡强化相间传质数学模型Km≈ DABπtmRδAfφ(BI－cf2)(A为经验常数(10-8～10-15m2);B、C为超声波作用液体的有关常数,数量值分别在1014、106左右;f为声波频率/s-1;DAB为扩散系数/(m2/s) ;tm为时间/s;R为半径/m;δ为边界层厚度/m;φ为半径为R的气泡数占生成空化气泡总数百分比;I为声强/(W/cm2)),与实验结果相吻合,能较好地描述超声空化泡在液体中的传质行为。该关系式为超声波强化传质过程提供了理论依据。     

棕榈纤维毡/聚(3-羟基丁酸酯-co-3-羟基戊酸酯)热压复合材料的吸声性能

为缓解当前我国汽车内饰用黄麻吸声复合材料产量缩减的现状,研究了棕榈纤维毡/聚(3-羟基丁酸酯-co-3-羟基戊酸酯)(PHBV)热压复合材料的吸声性能。在分析Johnson-Allard吸声模型后,研究了棕榈纤维毡与PHBV质量比、棕榈纤维毡面密度、棕榈纤维线密度、棕榈纤维毡梯度结构、多孔粉煤灰陶粒等对热压复合材料吸声系数的影响;探讨了优化工艺下棕榈纤维毡/PHBV热压复合材料的结构和性能。结果表明:当棕榈纤维毡与PHBV质量比为40∶60,棕榈纤维线密度为14.5 dtex,棕榈纤维毡梯度结构为143.3/102.5 g/m²时,制备的复合材料的平均吸声系数(200~1 600 Hz)最高,可达到0.53,添加质量分数为5%的多孔粉煤灰陶粒,可将复合材料的平均吸声系数提高到0.66,具有部分替代黄麻制备吸声复合材料的潜力。