超聲波清洗的原理研究及實現

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，主要由超聲波發生器、換能器及清洗槽組成。

關鍵詞：超聲波清洗；原理

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

超聲波清洗技術最早出現于20世紀30年代早期，超聲波清洗技術在20世紀50年代有了很大的發展。在過去幾十年，超聲波清洗已廣泛應用于各行各業，清洗應用大到機械零部件，小到半導體器件。

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生的，通常以縱波的方式在彈性介質內會傳播，在媒質中的反射、折射、衍射、散射等傳播規律，與可聽聲波的規律沒有本質上的區別，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很差，它在均勻介質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：當聲音在空氣中傳播時，推動空氣中的微粒往復振動而對微粒做功。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：當超聲波在介質的傳播過程中，存在一個正負壓強的交變周期，在正壓相位時，超聲波對介質分子擠壓，改變介質原來的密度，使其增大；在負壓相位時，使介質分子稀疏，進一步離散，介質的密度減小，當用足夠大振幅的超聲波作用于液體介質時，介質分子間的平均距離會超過使液體介質保持不變的臨界分子距離，液體介質就會發生斷裂，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生猛烈的撞擊作用，從而產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）發生乳化，且加速溶質的溶解，加速化學反應，這種由超聲波作用在液體中所引起的各種效應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越性，超聲波清洗正在逐漸取代傳統浸洗、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、細縫和工件隱蔽處亦清洗干凈。

③節省溶劑、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。當使用的超聲波頻率在28～100 kHz范圍內時，超聲波的三種作用都存在。當頻率比較低的時候，起主要作用的是空化作用，當頻率特別高的時候，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，把能量傳遞給質點，質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點的振動方向與波的方向一致。在此過程中，質點運動造成質點分布不勻，出現疏密不同的區域。在質點分布稀疏區域，聲波形成負聲壓，在質點分布致密區域，聲波形成正聲壓，并形成正負聲壓的交替連續變化。這種變化使得質點獲得一定動能和加速度。質點振動加速度大小符合以下公式：

2.2 空化作用

超聲波以正壓和負壓交替連續變化的方式向前傳播，負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到去污的目的。若清洗過程中產生了可見的空氣氣泡將對空化作用產生抑制效果而降低清洗效率。這種現象在低頻率的超聲波范圍內頻繁而激烈地發生。真空洞穴破裂時產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生對流。直進流由于非線性效應會產生聲流和微聲流，而超聲空化在固體和液體界面會產生高速的微射流，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生以及破裂的作用，而產生真空洞穴的效率與超聲波聲學參數和清洗液的物理化學性質有關。為了獲得良好的清洗效果必須選則合適的清洗液和適當的超聲波聲學參數。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

3.1 超聲波發生器

3.2 換能器

換能器是超聲波清洗設備中的主要部件，換能器的功用是將超聲波發生器輸送過來的電功率轉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，因而換能器的發熱也低。當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，主要由超聲波發生器、換能器及清洗槽組成，如圖3所示。

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

5 結 語

本文通過對超聲波清洗器的組成結構及原理分析，分別設計了超聲波發生器、換能器及清洗槽，通過實驗結果分析，證明了該方案的準確性。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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