超聲波清洗的原理研究及實現(xiàn)

冀紅宙

摘 要：超聲波是指振動頻率大于20 000 Hz以上的的聲波，具有許多奇異特性，超聲波清洗作用包括加速度作用、空化作用和直進流作用。實際制作的超聲波清洗器，主要由超聲波發(fā)生器、換能器及清洗槽組成。

關(guān)鍵詞：超聲波清洗；原理

中圖分類號：TG559 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）26-0001-02

超聲波清洗技術(shù)最早出現(xiàn)于20世紀(jì)30年代早期，超聲波清洗技術(shù)在20世紀(jì)50年代有了很大的發(fā)展。在過去幾十年，超聲波清洗已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，清洗應(yīng)用大到機械零部件，小到半導(dǎo)體器件。

1 超聲波的原理及特性

聲波是物體機械振動能量的傳播形式。按照定義，超聲波是指振動頻率大于20 000 Hz以上的的聲波，通常振動頻率200萬次/s以上，超出了人類聽覺的一般上限。超聲和可聞聲本質(zhì)上是一致的，它們的共同點都是一種機械振動模式，都是由物體的機械振動所產(chǎn)生的，通常以縱波的方式在彈性介質(zhì)內(nèi)會傳播，在媒質(zhì)中的反射、折射、衍射、散射等傳播規(guī)律，與可聽聲波的規(guī)律沒有本質(zhì)上的區(qū)別，都是一種能量的傳播形式。其不同點是超聲波頻率高，波長短，其波長只有幾厘米，甚至千分之幾毫米。因此與可聽聲波比較，超聲波具有許多奇異特性，主要有以下幾個方面：

①傳播特性：因為超聲波的波長很短，而通常障礙物的尺寸要比超聲波的波長大好多倍，因此超聲波的衍射本領(lǐng)很差，它在均勻介質(zhì)中能夠定向直線傳播，超聲波的波長越短，該特性就越顯著。

②功率特性：當(dāng)聲音在空氣中傳播時，推動空氣中的微粒往復(fù)振動而對微粒做功。聲波功率就是表示聲波做功快慢的物理量。在相同強度下，聲波的頻率越高，它的功率就越大。由于超聲波頻率很高，所以超聲波與一般聲波相比，功率非常大。

③空化作用：當(dāng)超聲波在介質(zhì)的傳播過程中，存在一個正負(fù)壓強的交變周期，在正壓相位時，超聲波對介質(zhì)分子擠壓，改變介質(zhì)原來的密度，使其增大；在負(fù)壓相位時，使介質(zhì)分子稀疏，進一步離散，介質(zhì)的密度減小，當(dāng)用足夠大振幅的超聲波作用于液體介質(zhì)時，介質(zhì)分子間的平均距離會超過使液體介質(zhì)保持不變的臨界分子距離，液體介質(zhì)就會發(fā)生斷裂，形成微泡。這些小空洞迅速脹大和閉合，會使液體微粒之間發(fā)生猛烈的撞擊作用，從而產(chǎn)生幾千到上萬個大氣壓強。微粒間這種劇烈的相互作用，會使液體的溫度驟然升高，起到了很好的攪拌作用，從而使兩種不相溶的液體（如水和油）發(fā)生乳化，且加速溶質(zhì)的溶解，加速化學(xué)反應(yīng)，這種由超聲波作用在液體中所引起的各種效應(yīng)稱為超聲波的空化作用。

2 超聲波清洗的原理分析

相比其它清洗方式，超聲波清洗機顯示出了巨大的優(yōu)越性，超聲波清洗正在逐漸取代傳統(tǒng)浸洗、刷洗、壓力沖洗、振動清洗和蒸氣清洗等工藝方法。超聲波清洗機的優(yōu)點如下：

①清洗速度快，清洗效果好，清潔度高，工件清潔度一致，對工件表面無損傷。

②不須人手接觸清洗液，安全可靠對深孔、細(xì)縫和工件隱蔽處亦清洗干凈。

③節(jié)省溶劑、熱能、工作場地和人工等。

④清洗精度高，可以強有力地清洗微小的污漬顆粒。

超聲波清洗作用包括超聲波本身具有的能量作用，真空洞穴破壞時產(chǎn)生的能量作用以及超聲波對清洗液的攪拌流動作用這三種作用，分別稱為加速度作用、空化作用和直進流作用。當(dāng)使用的超聲波頻率在28～100 kHz范圍內(nèi)時，超聲波的三種作用都存在。當(dāng)頻率比較低的時候，起主要作用的是空化作用，當(dāng)頻率特別高的時候，起主要作用的是加速度作用與直進流作用。

2.1 加速度作用

超聲波具有很高的能量，它在清洗液中傳播時，把能量傳遞給質(zhì)點，質(zhì)點再將能量傳遞到清洗對象表面并造成污垢解離分散。聲波是一種縱波，縱波傳播的過程中質(zhì)點的振動方向與波的方向一致。在此過程中，質(zhì)點運動造成質(zhì)點分布不勻，出現(xiàn)疏密不同的區(qū)域。在質(zhì)點分布稀疏區(qū)域，聲波形成負(fù)聲壓，在質(zhì)點分布致密區(qū)域，聲波形成正聲壓，并形成正負(fù)聲壓的交替連續(xù)變化。這種變化使得質(zhì)點獲得一定動能和加速度。質(zhì)點振動加速度大小符合以下公式：

2.2 空化作用

超聲波以正壓和負(fù)壓交替連續(xù)變化的方式向前傳播，負(fù)壓時在清洗液中造成微小的真空洞穴，這時溶解在清洗液中的氣體會很快進入這些真空洞穴并形成氣泡；正壓時，真空洞穴氣泡被絕熱壓縮，最后被壓破，在氣泡破裂的瞬間會產(chǎn)生上千個大氣壓的沖擊波，能把物體表面的污垢薄膜擊破而達(dá)到去污的目的。若清洗過程中產(chǎn)生了可見的空氣氣泡將對空化作用產(chǎn)生抑制效果而降低清洗效率。這種現(xiàn)象在低頻率的超聲波范圍內(nèi)頻繁而激烈地發(fā)生。真空洞穴破裂時產(chǎn)生的高壓符合以下公式：

2.3 直進流作用

直進流就是超聲波的能量沿聲波的傳播方向而流動的清洗液，使清洗件表面的清洗液產(chǎn)生對流。直進流由于非線性效應(yīng)會產(chǎn)生聲流和微聲流，而超聲空化在固體和液體界面會產(chǎn)生高速的微射流，所有這些作用，能夠破壞污物，除去或削弱邊界污層，增加攪拌、擴散作用，加速可溶性污物的溶解，強化清洗液的清洗作用。

一般情況下超聲波清洗機在低頻下工作。低頻情況下超聲波清洗主要靠真空洞穴產(chǎn)生以及破裂的作用，而產(chǎn)生真空洞穴的效率與超聲波聲學(xué)參數(shù)和清洗液的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。為了獲得良好的清洗效果必須選則合適的清洗液和適當(dāng)?shù)某暡晫W(xué)參數(shù)。因此影響超聲波清洗效率的因素主要有：①超聲波的聲強或聲壓；②超聲波的頻率；③清洗液的性質(zhì)及溫度；④其它影響超聲波清洗效率的因素，如駐波等。

3 超聲波清洗器的實現(xiàn)

3.1 超聲波發(fā)生器

3.2 換能器

換能器是超聲波清洗設(shè)備中的主要部件，換能器的功用是將超聲波發(fā)生器輸送過來的電功率轉(zhuǎn)換成超聲波的機械振動，然后通過不銹鋼槽體的輻射來促使清洗液也產(chǎn)生超聲波的機械振動。電聲換能器分為兩種：電致伸縮換能器和磁致伸縮換能器。電致伸縮換能器又稱為壓電式換能器，壓電式換能器使用壓電陶瓷材料（如石英、鋯鈦酸鉛、鈦酸鉍鈉）制成的，然后把兩塊同極相對粘結(jié)在輻射體上。輻射體一般為與清洗槽緊密粘接的鋁塊，常見的有錐體喇叭狀與直棒形狀。錐體喇叭狀的聲輻射效率比棒狀的高，即輸入同樣的電功率，在清洗槽中得到較大的聲功率，而消耗在換能器上的電功率較少，因而換能器的發(fā)熱也低。當(dāng)輸入換能器的電功率相同時，由于喇叭狀輻射面的面積比棒狀換能器大，所以輻射面的聲強較低，與其粘結(jié)的清洗槽不銹鋼板表面腐蝕小，清洗槽的壽命延長，所以一般情況下使用喇叭狀換能器較好。

根據(jù)高頻交流電路理論，壓電陶瓷換能器振子的等效阻抗隨頻率而變化的曲線與LC串并聯(lián)諧振回路的阻抗特性完全相似，也就是說在諧振頻率附近，LC串并聯(lián)諧振回路的阻抗特性與壓電陶瓷振子的等效阻抗特性一致。因此壓電陶瓷振子的等效電路如圖2所示：

4 實驗結(jié)果

按照上述分析，實際制作了一款超聲波清洗器，主要由超聲波發(fā)生器、換能器及清洗槽組成，如圖3所示。

實驗測得超聲波發(fā)生器的波形如圖4所示，由圖可見，超聲波的頻率約40 kHz。

5 結(jié) 語

本文通過對超聲波清洗器的組成結(jié)構(gòu)及原理分析，分別設(shè)計了超聲波發(fā)生器、換能器及清洗槽，通過實驗結(jié)果分析，證明了該方案的準(zhǔn)確性。并以此為切入點，力爭對超聲波清洗有更深入的研究。

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