超声波清洗的原理研究及实现

冀红宙

摘 要：超声波是指振动频率大于20 000 Hz以上的的声波，具有许多奇异特性，超声波清洗作用包括加速度作用、空化作用和直进流作用。实际制作的超声波清洗器，主要由超声波发生器、换能器及清洗槽组成。

关键词：超声波清洗；原理

中图分类号：TG559 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）26-0001-02

超声波清洗技术最早出现于20世纪30年代早期，超声波清洗技术在20世纪50年代有了很大的发展。在过去几十年，超声波清洗已广泛应用于各行各业，清洗应用大到机械零部件，小到半导体器件。

1 超声波的原理及特性

声波是物体机械振动能量的传播形式。按照定义，超声波是指振动频率大于20 000 Hz以上的的声波，通常振动频率200万次/s以上，超出了人类听觉的一般上限。超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动模式，都是由物体的机械振动所产生的，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律，与可听声波的规律没有本质上的区别，都是一种能量的传播形式。其不同点是超声波频率高，波长短，其波长只有几厘米，甚至千分之几毫米。因此与可听声波比较，超声波具有许多奇异特性，主要有以下几个方面：

①传播特性：因为超声波的波长很短，而通常障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此超声波的衍射本领很差，它在均匀介质中能够定向直线传播，超声波的波长越短，该特性就越显著。

②功率特性：当声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。声波功率就是表示声波做功快慢的物理量。在相同强度下，声波的频率越高，它的功率就越大。由于超声波频率很高，所以超声波与一般声波相比，功率非常大。

③空化作用：当超声波在介质的传播过程中，存在一个正负压强的交变周期，在正压相位时，超声波对介质分子挤压，改变介质原来的密度，使其增大；在负压相位时，使介质分子稀疏，进一步离散，介质的密度减小，当用足够大振幅的超声波作用于液体介质时，介质分子间的平均距离会超过使液体介质保持不变的临界分子距离，液体介质就会发生断裂，形成微泡。这些小空洞迅速胀大和闭合，会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压强。微粒间这种剧烈的相互作用，会使液体的温度骤然升高，起到了很好的搅拌作用，从而使两种不相溶的液体（如水和油）发生乳化，且加速溶质的溶解，加速化学反应，这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用。

2 超声波清洗的原理分析

相比其它清洗方式，超声波清洗机显示出了巨大的优越性，超声波清洗正在逐渐取代传统浸洗、刷洗、压力冲洗、振动清洗和蒸气清洗等工艺方法。超声波清洗机的优点如下：

①清洗速度快，清洗效果好，清洁度高，工件清洁度一致，对工件表面无损伤。

②不须人手接触清洗液，安全可靠对深孔、细缝和工件隐蔽处亦清洗干净。

③节省溶剂、热能、工作场地和人工等。

④清洗精度高，可以强有力地清洗微小的污渍颗粒。

超声波清洗作用包括超声波本身具有的能量作用，真空洞穴破坏时产生的能量作用以及超声波对清洗液的搅拌流动作用这三种作用，分别称为加速度作用、空化作用和直进流作用。当使用的超声波频率在28～100 kHz范围内时，超声波的三种作用都存在。当频率比较低的时候，起主要作用的是空化作用，当频率特别高的时候，起主要作用的是加速度作用与直进流作用。

2.1 加速度作用

超声波具有很高的能量，它在清洗液中传播时，把能量传递给质点，质点再将能量传递到清洗对象表面并造成污垢解离分散。声波是一种纵波，纵波传播的过程中质点的振动方向与波的方向一致。在此过程中，质点运动造成质点分布不匀，出现疏密不同的区域。在质点分布稀疏区域，声波形成负声压，在质点分布致密区域，声波形成正声压，并形成正负声压的交替连续变化。这种变化使得质点获得一定动能和加速度。质点振动加速度大小符合以下公式：

2.2 空化作用

超声波以正压和负压交替连续变化的方式向前传播，负压时在清洗液中造成微小的真空洞穴，这时溶解在清洗液中的气体会很快进入这些真空洞穴并形成气泡；正压时，真空洞穴气泡被绝热压缩，最后被压破，在气泡破裂的瞬间会产生上千个大气压的冲击波，能把物体表面的污垢薄膜击破而达到去污的目的。若清洗过程中产生了可见的空气气泡将对空化作用产生抑制效果而降低清洗效率。这种现象在低频率的超声波范围内频繁而激烈地发生。真空洞穴破裂时产生的高压符合以下公式：

2.3 直进流作用

直进流就是超声波的能量沿声波的传播方向而流动的清洗液，使清洗件表面的清洗液产生对流。直进流由于非线性效应会产生声流和微声流，而超声空化在固体和液体界面会产生高速的微射流，所有这些作用，能够破坏污物，除去或削弱边界污层，增加搅拌、扩散作用，加速可溶性污物的溶解，强化清洗液的清洗作用。

一般情况下超声波清洗机在低频下工作。低频情况下超声波清洗主要靠真空洞穴产生以及破裂的作用，而产生真空洞穴的效率与超声波声学参数和清洗液的物理化学性质有关。为了获得良好的清洗效果必须选则合适的清洗液和适当的超声波声学参数。因此影响超声波清洗效率的因素主要有：①超声波的声强或声压；②超声波的频率；③清洗液的性质及温度；④其它影响超声波清洗效率的因素，如驻波等。

3 超声波清洗器的实现

3.1 超声波发生器

3.2 换能器

换能器是超声波清洗设备中的主要部件，换能器的功用是将超声波发生器输送过来的电功率转换成超声波的机械振动，然后通过不锈钢槽体的辐射来促使清洗液也产生超声波的机械振动。电声换能器分为两种：电致伸缩换能器和磁致伸缩换能器。电致伸缩换能器又称为压电式换能器，压电式换能器使用压电陶瓷材料（如石英、锆钛酸铅、钛酸铋钠）制成的，然后把两块同极相对粘结在辐射体上。辐射体一般为与清洗槽紧密粘接的铝块，常见的有锥体喇叭状与直棒形状。锥体喇叭状的声辐射效率比棒状的高，即输入同样的电功率，在清洗槽中得到较大的声功率，而消耗在换能器上的电功率较少，因而换能器的发热也低。当输入换能器的电功率相同时，由于喇叭状辐射面的面积比棒状换能器大，所以辐射面的声强较低，与其粘结的清洗槽不锈钢板表面腐蚀小，清洗槽的寿命延长，所以一般情况下使用喇叭状换能器较好。

根据高频交流电路理论，压电陶瓷换能器振子的等效阻抗随频率而变化的曲线与LC串并联谐振回路的阻抗特性完全相似，也就是说在谐振频率附近，LC串并联谐振回路的阻抗特性与压电陶瓷振子的等效阻抗特性一致。因此压电陶瓷振子的等效电路如图2所示：

4 实验结果

按照上述分析，实际制作了一款超声波清洗器，主要由超声波发生器、换能器及清洗槽组成，如图3所示。

实验测得超声波发生器的波形如图4所示，由图可见，超声波的频率约40 kHz。

5 结 语

本文通过对超声波清洗器的组成结构及原理分析，分别设计了超声波发生器、换能器及清洗槽，通过实验结果分析，证明了该方案的准确性。并以此为切入点，力争对超声波清洗有更深入的研究。

参考文献：

[1] 崔海娟，赵海明.超声波大功率清洗机[J].声学技术，2007，（6）.

[2] 陈振伟.超声波发生器的研究[D].杭州：浙江大学，2007.

[3] 林书玉.超声换能器的原理及设计（第一版）[M].北京：科学出版社，2004.

[4] 梁治齐.实用清洗技术手册（第二版）[M].北京：化学工业出版社，2005.

[5] Kenneth R.Allen.Ultrasonics—A practical approach[J].Metal Finishing，1999，（1）.