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超聲波清洗的技術(shù)原理
超聲波清洗的技術(shù)原理
超聲波清洗是基於空化作用，即在清洗液中無數(shù)氣泡快速形成并迅速內(nèi)爆。由此產(chǎn)生的沖擊將浸沒在清洗液中的工件內(nèi)外表面的污物剝落下來。隨著超聲頻率的提高，氣泡數(shù)量增加而爆破沖擊力減弱，因此，高頻超聲特別適用於小顆粒污垢的清洗而不破環(huán)其工件表面。氣泡是在液體中施加高頻（超聲頻率）、高強(qiáng)度的聲波而產(chǎn)生的。因此，任何超聲清洗系統(tǒng)都必須具備三個基本元件：盛放清洗液的槽、將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的換能器以及產(chǎn)生高頻電信號的超聲波發(fā)生器。
換能器和發(fā)生器
超聲清洗系統(tǒng)zui重要的部分是換能器。現(xiàn)存兩種換能器，種是磁力換能器，由鎳或鎳合金制成；種壓電換能器，由鋯鈦酸鉛或其他陶瓷制成。將壓電材料放入電壓變化的電場中時，它會發(fā)生變形，這就是所謂的’壓電效應(yīng)’。相對來說，磁力換能器是用會在變化的磁場中發(fā)生變形的材料制成的。
無論使用何種換能器，通常zui基本的因素為其產(chǎn)生的空化效應(yīng)的強(qiáng)度。超聲波和其它聲波樣，是系列的壓力點，即種壓縮和膨脹交替的波。如果聲能足夠強(qiáng)，液體在波的膨脹階段被推開，由此產(chǎn)生氣泡；而在波的壓縮階段，這些氣泡就在液體中瞬間爆裂或內(nèi)爆，產(chǎn)生種非常有效的沖擊力，特別適用於清洗。這個過程被稱做空化作用。
從理論上分析，爆裂的空化泡會產(chǎn)生超過10,000psi的壓力和20,000°F（11,000°C）的高溫，并在其爆裂的瞬間沖擊波會迅速向外輻射。單個空化泡所釋放的能量很小，但每秒鐘內(nèi)有幾百萬的空化泡同時爆裂，累計起來的效果將是非常強(qiáng)烈的，產(chǎn)生的強(qiáng)大的沖擊力將工件表面的污物剝落，這就是所有超聲清洗的特點。
如果超聲能量足夠大，空化現(xiàn)象會在清洗液各處產(chǎn)生，所以超聲波能夠有效清洗微小的裂縫和孔。空化作用也促進(jìn)了化學(xué)反應(yīng)并加速了表面膜的溶解。
然而只有在某區(qū)域的液體壓力低於該氣泡內(nèi)氣體壓力時才會在該區(qū)域產(chǎn)生空化現(xiàn)象，故由換能器產(chǎn)生的超聲波振幅足夠大時才能滿足這條件。產(chǎn)生空化所需的zui小功率被稱做空化臨界點。不同的液體存在不同的空化臨界點，故超聲波能量必須超過該臨界點才能達(dá)到清洗效果。也就是說，只有能量超過臨界點才能產(chǎn)生空化泡，以便進(jìn)行超聲清洗。
頻率的重要性
當(dāng)工作頻率很低（在人的聽覺范圍內(nèi)）就會產(chǎn)生噪音。當(dāng)頻率低於20kHz時，工作噪音不變得很大，而且可能超出職業(yè)安全與保健法或其他條例所規(guī)定的安全噪音的限度。在需要高功率去除污垢而不用考慮工件表面損傷的應(yīng)用中，通常選擇從20kHz到30kHz范圍內(nèi)的較低清洗頻率。該頻率范圍內(nèi)的清洗頻率常常被用於清洗大型、重型零件或高密度材料的工件。20KHz的磁力換能器和25KHz的壓電換能器。
高頻通常被用於清洗較小、較精密的零件，或清除微小顆粒。高頻還被用於被工件表面不允許損傷的應(yīng)用。使用高頻可從幾個方面改善清洗性能。隨著頻率的增加，空化泡的數(shù)量呈線形增加，從而產(chǎn)生多密集的沖擊波使其能進(jìn)入到小的縫隙中。如果功率保持不變，空化泡變小，其釋放的能量相應(yīng)減少，這樣有效地減小了對工件表面的損傷。高頻的另個優(yōu)勢在於減小了粘滯邊界層（泊努里效應(yīng)），使得超聲波能夠’發(fā)現(xiàn)’細(xì)小的微粒。這種情況近似於小溪中水位降低時可以看清溪底的小石子。
40kHz、80kHz、120kHz和170kHz。清洗微小的顆粒時，可選用頻率為350kHz的產(chǎn)品。近來推出了用於此類場合的MicroCoustics系統(tǒng)，其頻率為400kHz。