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摘 要：钢铁行业是高耗水也是产生大量污水的行业，沉淀池是钢铁企业污水处理中的一个重要组成部分，实时连续的监测沉淀池内各项工业参数是钢铁企业污水处理过程中的一个关键环节。目前好多企业及研究人员把重点转移到超声波的应用技术上来，提出超声波作为信号载体进行沉淀池内各项参数的监控测量。本文研究了超声波在沉淀池污泥中的传输规律和衰减特性，为超声波检测技术在钢厂沉淀池内的应用提供了坚实有力的理论基础。
1.转炉炼钢除尘废水处理技术
转炉除尘废水具有高硬度、高悬浮物、高pH值等水质特点。转炉除尘废水处理过程经过粗颗粒的预处理然后去除悬浮物接着进行水质稳定最后进行污泥脱水处理四个工艺共同完成，不仅可以回收90%以上的水资源，同时还能回收大量的含铁污泥加以烧结炼钢。由此可见，对转炉除尘废水的处理可以产生很好环境效益和经济效益。
2.超声波的理论基础
超声波与其它声波在本质上是一致的，但也有自身的特点。超声波的波长比一般的声波短，具有较好的方向性，能穿透透明的和不透明的物质，超声波在沉淀池污泥中是以纵波的形式进行传播。我们在研究过程中，取一个足够小的体积元作为研究对象。
1）超声波在沉淀池污泥中的波动规律
实际钢厂沉淀池中的污泥存在很多特殊性，由于污泥本身属于不均匀的多相流体，有固相物质，还有气泡、固体颗粒等，另外经除尘流出的转炉污泥中含有大量的TFe、FeO等，污泥含铁量达70%左右。但为了讨论问题简单和数学方程推导容易，对于污泥类的非理想介质仍做一些假设：沉淀池污泥为粘性流体，其粘度为η，而且是固态和液态二相混合流体；流体介质是静止的，即初速度为零；流体介质均匀，密度为ρ0；绝热过程，不随温度的变化而产生热交换；小振幅声波，各声学变量是一级微量。
推导分析得到超声波非理想流体下关于位移 的波动方程：
式中：ζ —质点振动位移，m； Ks —液体的绝热体积弹性系数， kg/m3。
2）超声波在沉淀池中衰减特性研究
超声波衰减指的是超声波在通过媒质传播时，声压或声能随距离的增加而渐渐减小的现象。造成衰减的原因有三点：一、超声波声束的扩散；二、介质中的很小的颗粒产生的声波的散射现象；三、介质的吸收。
考虑到粘滞力与弹性力相比很小的情形，从而求得粘滞吸收系数的表达式为：
理论计算及资料显示，热传导的吸收系数为：
式中：αζ —热传导引起的声吸收系数，m-1 ；x—热传导系数，w/m°c ；
cv —定容比热，kJ/kg°c ； cp —定压比热，kJ/kg°c 。
当散射方向与声波方向一致的时候。也就是散射方向为 的时候，即 ，散射体的衰减系数为：
3.超声波在沉淀池污泥中动态传输特性的研究
1）传输距离对超声波信号的影响
超声波传输过程中振幅为A ′，声波幅值与传输衰减系数和传输距离的关系为：
取A的初值为0.56 dB，其声振幅与传输距离的关系曲线图见图1。
从图1中可以看出，随着传输距离的增加，接收到的超声波幅值越来越小。而且衰减系数越大，这种变化效果越明显，超声波幅值衰减的速度越快。
图1 声吸收系数与超声波频率的关系
2）超声波频率对声吸收系数的影响
我们假设污泥一定且污泥的密度为1100kg/m3，超声波在污泥中的波速大约为1850m/s。
从曲线图中可以看到随着超声波频率的增加声吸收系数也会随之增加，这样超声波在传输过程中能量损失越大，传输能力也就越弱。超声波信号的频率越大，能量损失也就越大从而传输距离就会越短。而且这种现象随着污泥粘度的增加变化趋势越明显。
3）污泥粘度对声吸收系数的影响
污泥的粘度与声吸收系数成正比例关系。当污泥的粘度越大随之声吸收系数越高，被吸收的能量就越大，也就是衰减掉的能量越多。同时观察不同颜色的曲线可以看出当超声波频率越大的时候声吸收衰减系数随粘度的变化更快更明显。
4）污泥密度对声吸收系数的影响
随着污泥密度的增加接收到的声幅值会逐渐增大，信号的传输能力变强，传输距离也会增加。而且可以看出不同粘度声吸收系数不同，泥浆粘度越大，声吸收系数随密度的变化越快。
4.衰减平均因子
前面推导求得的泥浆粘滞衰减系数 ，热传导衰减系数 和散射衰减系数 ，我们便可得知在超声波的传输过程中的整体衰减系数 为：
式中 为附加衰减系数，一般情况下可以忽略，得到：
为了更加直观的考察超声波在传输过程中各衰减系数的影响程度，本文引入一个超声波衰减平均因子的概念，记为β。它考察的是某单一的衰减量相对应总衰减来说所占的比例问题。即：
三者中粘度衰减所占的比重最大，其次是散射衰减，比重最小的热传导引起的衰减，仅占大约0.12%，可以近似将其忽略。
5.小结
1） 超声波具有很好的集束性，而且方向性也很好，超声波拥有较高的频率和能量，可以定向发射，能够作为信号传输的载体。
2）超声波信号在污泥中的衰减受污泥的粘度、密度和含气量，以及超声波探头的频率、温度、压力等环境因素影响。
3） 研究证明，超声波信号在污泥中的主要衰减形式是 ，由于污泥的粘滞力而导致的声吸收，同时泥浆中固相对超声波信号的散射、声彼传输过程中的扩散和热传到等因素影响传输距离。
4） 合理选择超声波换能器频率 也是提高超声波信号传输距离的关键之一，同时能更好的实现数据的检测与控制。
参考文献
[1]唐得刚， 冯新泸， 罗平亚， 等. 一种新型超声波油密度检测装置的设计[J]. 传感器技术， 2005， 24（9）：63-64.
[2]黄智伟， 李富英， 王新辉， 等.油品密度的超声波测量方法[J]. 传感器技术，2000，19（4）：47-48.
[3]中国机械工程学会无损检测学会. 超声波检测[M]. 北京：机械工业出版社， 2005.
[4]陈先中， 姚明林， 张争. 智能化超声波液体密度计[J]. 仪表技术与传感器， 2005.
1.转炉炼钢除尘废水处理技术
转炉除尘废水具有高硬度、高悬浮物、高pH值等水质特点。转炉除尘废水处理过程经过粗颗粒的预处理然后去除悬浮物接着进行水质稳定最后进行污泥脱水处理四个工艺共同完成，不仅可以回收90%以上的水资源，同时还能回收大量的含铁污泥加以烧结炼钢。由此可见，对转炉除尘废水的处理可以产生很好环境效益和经济效益。
2.超声波的理论基础
超声波与其它声波在本质上是一致的，但也有自身的特点。超声波的波长比一般的声波短，具有较好的方向性，能穿透透明的和不透明的物质，超声波在沉淀池污泥中是以纵波的形式进行传播。我们在研究过程中，取一个足够小的体积元作为研究对象。
1）超声波在沉淀池污泥中的波动规律
实际钢厂沉淀池中的污泥存在很多特殊性，由于污泥本身属于不均匀的多相流体，有固相物质，还有气泡、固体颗粒等，另外经除尘流出的转炉污泥中含有大量的TFe、FeO等，污泥含铁量达70%左右。但为了讨论问题简单和数学方程推导容易，对于污泥类的非理想介质仍做一些假设：沉淀池污泥为粘性流体，其粘度为η，而且是固态和液态二相混合流体；流体介质是静止的，即初速度为零；流体介质均匀，密度为ρ0；绝热过程，不随温度的变化而产生热交换；小振幅声波，各声学变量是一级微量。
推导分析得到超声波非理想流体下关于位移 的波动方程：
式中：ζ —质点振动位移，m； Ks —液体的绝热体积弹性系数， kg/m3。
2）超声波在沉淀池中衰减特性研究
超声波衰减指的是超声波在通过媒质传播时，声压或声能随距离的增加而渐渐减小的现象。造成衰减的原因有三点：一、超声波声束的扩散；二、介质中的很小的颗粒产生的声波的散射现象；三、介质的吸收。
考虑到粘滞力与弹性力相比很小的情形，从而求得粘滞吸收系数的表达式为：
理论计算及资料显示，热传导的吸收系数为：
式中：αζ —热传导引起的声吸收系数，m-1 ；x—热传导系数，w/m°c ；
cv —定容比热，kJ/kg°c ； cp —定压比热，kJ/kg°c 。
当散射方向与声波方向一致的时候。也就是散射方向为 的时候，即 ，散射体的衰减系数为：
3.超声波在沉淀池污泥中动态传输特性的研究
1）传输距离对超声波信号的影响
超声波传输过程中振幅为A ′，声波幅值与传输衰减系数和传输距离的关系为：
取A的初值为0.56 dB，其声振幅与传输距离的关系曲线图见图1。
从图1中可以看出，随着传输距离的增加，接收到的超声波幅值越来越小。而且衰减系数越大，这种变化效果越明显，超声波幅值衰减的速度越快。
图1 声吸收系数与超声波频率的关系
2）超声波频率对声吸收系数的影响
我们假设污泥一定且污泥的密度为1100kg/m3，超声波在污泥中的波速大约为1850m/s。
从曲线图中可以看到随着超声波频率的增加声吸收系数也会随之增加，这样超声波在传输过程中能量损失越大，传输能力也就越弱。超声波信号的频率越大，能量损失也就越大从而传输距离就会越短。而且这种现象随着污泥粘度的增加变化趋势越明显。
3）污泥粘度对声吸收系数的影响
污泥的粘度与声吸收系数成正比例关系。当污泥的粘度越大随之声吸收系数越高，被吸收的能量就越大，也就是衰减掉的能量越多。同时观察不同颜色的曲线可以看出当超声波频率越大的时候声吸收衰减系数随粘度的变化更快更明显。
4）污泥密度对声吸收系数的影响
随着污泥密度的增加接收到的声幅值会逐渐增大，信号的传输能力变强，传输距离也会增加。而且可以看出不同粘度声吸收系数不同，泥浆粘度越大，声吸收系数随密度的变化越快。
4.衰减平均因子
前面推导求得的泥浆粘滞衰减系数 ，热传导衰减系数 和散射衰减系数 ，我们便可得知在超声波的传输过程中的整体衰减系数 为：
式中 为附加衰减系数，一般情况下可以忽略，得到：
为了更加直观的考察超声波在传输过程中各衰减系数的影响程度，本文引入一个超声波衰减平均因子的概念，记为β。它考察的是某单一的衰减量相对应总衰减来说所占的比例问题。即：
三者中粘度衰减所占的比重最大，其次是散射衰减，比重最小的热传导引起的衰减，仅占大约0.12%，可以近似将其忽略。
5.小结
1） 超声波具有很好的集束性，而且方向性也很好，超声波拥有较高的频率和能量，可以定向发射，能够作为信号传输的载体。
2）超声波信号在污泥中的衰减受污泥的粘度、密度和含气量，以及超声波探头的频率、温度、压力等环境因素影响。
3） 研究证明，超声波信号在污泥中的主要衰减形式是 ，由于污泥的粘滞力而导致的声吸收，同时泥浆中固相对超声波信号的散射、声彼传输过程中的扩散和热传到等因素影响传输距离。
4） 合理选择超声波换能器频率 也是提高超声波信号传输距离的关键之一，同时能更好的实现数据的检测与控制。
参考文献
[1]唐得刚， 冯新泸， 罗平亚， 等. 一种新型超声波油密度检测装置的设计[J]. 传感器技术， 2005， 24（9）：63-64.
[2]黄智伟， 李富英， 王新辉， 等.油品密度的超声波测量方法[J]. 传感器技术，2000，19（4）：47-48.
[3]中国机械工程学会无损检测学会. 超声波检测[M]. 北京：机械工业出版社， 2005.
[4]陈先中， 姚明林， 张争. 智能化超声波液体密度计[J]. 仪表技术与传感器， 2005.