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日本HONDA本多超声波音压计SONOSABER-DX：0.1 μPa瞬态空化捕捉

发布时间： 2025-12-22　　点击次数： 22次

空化泡从成核到崩溃，全过程仅数十微秒，却释放高达 10 MPa 的局部峰值压力
。传统压电传感器受限于 100 kHz 级谐振频率，只能记录“事后"平均信号，无法还原瞬态尖峰。日本 HONDA 本多电子推出 SONOSABER-DX，以 0.1 μPa 的声压分辨率和 10 MHz 宽带捕获能力，把“空化瞬态"做成可回放、可定位、可量化的波形数据，为液压泵、船舶螺旋桨、HIFU 提供毫秒级空化预警。本文基于公开实验报告，拆解其硬件架构与现场表现。
一、系统定位：让空化“声"被看见
声压分辨率 0.1 μPa（@ 1 MHz），相当于水中 1 mm 处 1 µm 泡崩溃的可探测阈值
；
带宽 50 kHz–10 MHz，覆盖空化宽带噪声与单泡谐振峰；
32 通道并行采集，可给出空化云的空间-时间-强度三维图；
实时输出 RMS、峰值因子、冲击概率密度，用于在线报警或闭环控制。
二、硬件架构：PVDF 阵列 + 宽带前端
激光微加工 PVDF 阵列
4.5 mm × 5 mm 贴片，厚度 28 µm，通过激光蚀刻形成 1×8 线阵；电极间隙 50 µm，理论空间分辨率 3 mm
。
低噪声电荷放大器
输入端等效噪声 0.05 fC·Hz⁻¹/²，折合 0.1 μPa 声压；采用 SiC-JFET 前端，1 MHz 处电压噪声 0.9 nV·Hz⁻¹/²，保证 10 MHz 信号不衰减。
10-bit 200 MS/s 并行 ADC
单通道数据率 2 Gb·s⁻¹，板上 DDR4 缓存 8 GB，可记录 4 s 连续波形；触发后 1 ms 预触发深度，确保“空化声"不丢失。
相位相关定位算法
利用 32 通道到达时间差，结合声速 1480 m·s⁻¹，可在 50 µs 内定位 5 mm³ 体积内的空化源，误差 ≤ ±2 mm
。
三、软件算法：从波形到“空化图"
RMS 包络：1 ms 滑动窗，输出空化强度-时间曲线；
峰值因子 C：C = p̂ / p_RMS，当 C > 12 判定为瞬态崩溃（inertial cavitation）；
冲击概率密度 PDF：统计 100 ms 内峰值超过 1 kPa 的事件，用于评估材料侵蚀风险；
3D 云图：把 32 通道强度映射到 xyz 网格，实时显示空化云迁移路径。
四、现场验证：泵入口瞬态空化实验
试验对象：汽车电子水泵，转速 5400 r·min⁻¹，流量 1.25 m³·h⁻¹，入口压力 0.131 atm（已出现空化）[60]。
布置：SONOSABER-DX 阵列贴于泵壳外壁，距叶轮 20 mm。
结果：
空化起始周期 t = 0.21T（T = 11.1 ms）出现 0.3 MPa 尖峰；
10 ms 内记录 47 次 > 0.1 MPa 事件，PDF 峰值位于 0.18 MPa；
与高速摄影对比，空化云脱离位置误差 1.8 mm，相关性 R = 0.93
。
五、应用速览
船舶螺旋桨
在 1:10 模型桨毂布置 4 条阵列，实时输出梢涡空化强度，用于调整桨距降低噪声 3 dB。
液压阀
监测锥阀口空化，PDF > 100 事件·s⁻¹ 时触发控制器升压 0.2 MPa，阀口侵蚀坑减少 70 %。
HIFU
配合 1.16 MHz 治疗头，PCD 接收通道共用，SONOSABER-DX 记录微泡崩溃瞬间，峰值 12 MPa，确保焦域空化剂量可控
。
六、维护与校准
PVDF 阵列每 12 个月进行激光校准，保证灵敏度差异 < ±0.5 dB；
前端电荷放大器 24 h 自校零，温漂 < 0.02 pC·°C⁻¹；
数据备份：波形、PDF、3D 云图自动存入 SQLite，10 年可追溯。
七、结语
当空化从“可听噪声"升级为“微秒级冲击"，0.1 μPa 的声压分辨率就是捕捉瞬态崩溃块拼图。SONOSABER-DX 用 10 MHz 宽带 PVDF 阵列把空化云拆成 32 通道、毫秒级、可定位的声压电影，为泵、桨、阀乃至超声提供了“看见空化"的新维度。对于追求零侵蚀、低噪声、高可靠的装备，它既是研发阶段的“空化显微镜"，也是运行现场的“早期预警雷达"。

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