选自《洗净技术》
林仲茂 (中国科学院声学研究所，北京，100080)
摘要本文讨论超声换能器的结构及在清洗槽中的排列和粘结对超声清洗机质量的影响， 同时 讨论了影响超声清洗效果的一些因素。
关键词超声波换能器 清洗效果 清洗机．超声波清洗机的质量
超声清洗设备根据清洗对象和生产规模的要求， 其组成和结构差别很大，可以是复杂、庞大的设备，也 可以是非常简单的结构。这里着重探讨由超声频电源、 换能器和清洗槽组成超声波清洗设备的核心部分的质量问题 。
1．1超声换能器结构的选择
在低超声频段(20—100KHz)，目前工业上绝大多数是采用单螺钉夹紧的夹心式压电换能器(复合换能器)，结构上的差别主要在于辐射体(与不锈钢板粘接的铝块)的形状，一种是锥体喇叭；另一种直棒形状。如图1a和1b所示。
喇叭状换能器的声辐射效率比棒状换能器高，即同样的输入电功率．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，与其粘结的不锈钢板表面空化腐蚀小。清洗槽(或浸入式换能器）的寿命延长。所以在一般情况下采用喇叭状换能器
较好，为进一步提高声辐射效率、展宽频带，我国研制 出一种半穿孔结构的宽频带超声清洗换能器”，如 图2所示
这种换能器尤其在较高频段{40KHz以上)，其优点更为突出． 因为它可以削弱横向振动所带来的不良影 响由于频带较宽，也有利于扫频清洗．
在某些场合，例如清洗较深螺孔时．宜采用高辐射声强的换能器，此时换能器的辐射体常具有尖削聚焦形状，以提高辐射面的声强。这种换能器一般不是粘结在清洗槽上，而是直接插入液体中进行清洗。
1 2换能器在清洗槽中的分布及粘结问题
目前有些超声清洗机商品，粘在清洗槽底或壁上的换能器分布过密，一个紧挨一个的排列．输入换能器的电功率强度达到每平方厘米2-3瓦，这样高的强度一方面会加快不锈钢板表面(与清洗液接触的表面)的 空化腐蚀，缩短使用寿命，另一方面由于声强过高。会 在钢板表面附近产生大量较大的气泡，增加声传播损，在远离换能器的地方削弱清洗作用。一般选用功率 强度每平方厘米低于1.5瓦为宜(按粘有换能器的钢板面积计算)。如果清洗槽较深， 除槽底粘有换能器外， 在槽壁上也应考虑粘结换能器。
换能器与清洗槽的粘结质量对超声清洗机整机的质量影响很大．不但要粘牢，而且要求胶层均匀、不缺胶和不允许有裂缝，使超声能量最大限度地向清洗液中传输，以提高整机效率和清洗效果。目前有些清洗设备为避免换能器从清洗槽上掉下来。采取螺钉加粘胶的固定 方式，这种连接方式虽然换能器不会掉下来，但是存在许多隐患。如果螺钉焊接质量差，例如不垂直于不锈钢板表面，则胶层不均匀，甚至有裂痕或缺胶，能量传输会削弱；另一方面．如果焊接不好也会影响不锈钢表面的平整，导致加速空化腐蚀，缩短使用寿命．
判断粘结质量的方法之一，是在清洗槽装水并开机工作一段时间后，测量换能器的温升。如果在众多的换能器中某个换能器温升特别快，则表明该换能器可能粘结不好．因为此时声辐射不好，电能量大部分消耗在换能器上而发热。另一个方法是在小信号条件下逐个测量 换能器的电阻抗大小来判别粘结质量。
目前在超声波清洗机的性能方面还存在一些模糊的认识：认为功率越大，换能器数目越多．其性能越好，价值越高，甚至以此论价．这种认识是不全面的． 如上述，换能器布得过密，功率密度过大，不但清洗效果不好，而且槽底易空化腐蚀．另一方面， 目前超声 波清洗机商品所标的功率大多是电功率而不是声功率，如果所标是指消耗工频功率，则超声波清洗机质量的优劣应该由效率来判断。如果效率低，在同样清洗效果时则耗电大，反而增加了用户的费用。超声清洗机的效率包括两部分．一是超声频电源的效率．即输入换能器的 高频电功率与消耗工频电功率之百分比；另一部分是电声转换效率，即进入清洗液中的声功率与输入换能器的电功率之百分比．目前我国在工业生产中还没有一种简便的方法和设备来测量电声转换效率。各厂家所标的超声波清洗机的功率是含糊不清的，亟需有行业的统一标准．
2．影响超声清洗效果的因素
超声清洗的主要机理是超声空化作用．超声空化的强弱与声学参数、清洗液的物理化学性质及环境条件有关，所以要得到良好的清洗效果 必须选择适当的声学参数和清洗液。
2 1声强或声压的选择
在清洗液中只有交变声压幅值超过液体的静压力时才会出现负压。 而负压要超过液体的强度才能产生空化。使液体产生空化的最低声强或声压幅值称为空化阈。各种液体具有不同的空化阈值，在超声清洗槽中的声强要高于空化阈值才能产生超声空化。对于一般液体，空化阈值约为每平方厘米1／3瓦(声压的千方正比于声强)．声强增加时，空化泡的最大半径与起始半径的比值增大，空化强度增大， 即声强愈高，空化愈强烈．有利于清洗作用。但不是声功率越大越好，声强过高．会产生大量无用的气泡，增加散射衰减，形成声屏障，同时声强增大也会增加非线性衰减，这样都会削弱远离声源地方的清洗效果。对于一些难清洗干净的污物，例如金属表面的氧化物，化纤喷丝板孔中污物的清洗，则需要采用较高的声强．此时被清洗面应贴近声源，这时大多不采用槽式清洗器．而用棒状聚焦式换能器直接插入清洗液靠近清洗件的表面进行清洗．
2 2频率的选择
超声空化阈值和超声波的频率有密切关系．频率越高，空化阈越高，换句话说，频率越高，在液体中要产生空化所需要的声强或声功率也越大；频率低，空化容易产生，同时在低频情况下，液体受到的压缩和稀疏作用有更长的时间间隔．使气泡在崩溃前能生长到较大的尺寸，增高空化强度，有利于清洗作用．目前超声波清洗机的工作频率根据清洗对象，大致分为三个频段；低频超声清洗(20一50KHz)， 高频超声清洗(50—200KHz)和兆赫超声清洗(700KHz一1MHz以上)．低频超声清洗适用于大部件表面或者污物和清洗件表面结合强度高的场合。频率的低端，空化强度高。易腐蚀清洗件表面，不适宜清洗表面光洁度高的部件，而且空化噪声大．40KHz左右的频率，在相同声强下，产生的空化泡数量比频率为20KHz时多，穿透力较强，宜清洗表面形状复杂或有盲孔的工件，空化噪声较小．但空化强度较低，适合清洗污物与被清洗件表面结合力较弱的场合，高频超声清洗适用于计算机。微电子元件的精细清洗，如磁盘、驱动器，读写头，液晶玻璃及平面显示器，微组件和抛光金属件等的清洗．这些清洗对象要求在清洗过程中不能受到空化腐蚀．要能洗掉微米级的污物。兆赫超声清洗适用于集成电路芯片、硅片及簿膜等的清洗。能去除微米、亚微米级的污物而对清洗件没有任何损伤。因为此时不产生空化．其清洗机理主要是声压梯度．粒子速度和声流的作用．特点是清洗方向性强，被清洗件一般置于与声束平行的方向．
2.3清洗液的物理化学性质对清洗效果的影响
清洗剂的选择要从两个方面来考虑：一方面要从 污物的性质来选择化学作用效果好的清洗剂；另一方 面要选择表面张力、蒸气压及枯度合适的清洗剂，因 为这些特性与超声空化强弱有关。液体的表面张力大则 不容易产生空化，但是当声强超过空化阈值时，空化 泡崩溃释放的能量也大，有利于清洗．高蒸气压的液 体会降低空化强度，而液体的粘滞度大也不容易产生 空化．因此蒸气压高和粘度大的洁洗剂都不利于超声 清洗． 此外，清洗液的温度和静压力都对清洗效果有影 响，清洗液温度升高时．空化核增加，对空化的产生有 利，但是温度过高，气泡中的蒸气压增大．空化强度 会降低，所以温度的选择要同时考虑对空化强度的影 响，也耍考虑清洗液的化学清洗作用每一种液体都有 一空化活跃的温度，水较适宜的温度是60~C，此时空化 最活跃。
清洗液的静压力大时，不容易产生空化，所以在密 闭加压容器中进行超声清洗或处理时效果较差。
2．4影响超声清洗效果的其它因素
清洗液的流动速度对超声清洗效果也有很大影响。
最好是在清洗过程中液体静止不流动．这时泡的生长和闭合运动能够充分完成．如果清洗液的流速过快，则有些空化核会被流动的液体带走有些空化核则在没有达到生长闭合运动整过程时就离开声场，因而使总的空化 强度降低。在实际清洗过程中有时为避免污物重新粘附在清洗件上．清洗液需要不断流动更新，此时应注意清洗液的流动速度不能过快，以免降低清洗效果。
被清洗件的声学特性和在清洗槽中的排列对清洗效果也有较大的影响．吸声大的清洗件，如橡胶，布料等清洗效果差，而对声反射强的清洗件，如金属件，玻璃制品的清洗效果好。清洗件面积小的一面应朝声源排放，排列要有一定的间距．清洗件不能直接放在清洗槽底部．尤其是较重的清洗件．以免影槽底板的振动，也避免清洗件擦伤底板而加速空化腐蚀。清洗件最好是悬挂在槽中，或用金属罗筐盛好悬挂．但须注意要用金属丝做成．并尽可能用细丝做咸空格较大的筐， 以减少声的吸收和屏蔽。
清洗液中气体的含量对超声波清洗效果也有影响。在清洗液中如果有残存气体(非空化核)会增加声传播损失，此外在空化泡运动过程中扩散到泡中的气体，在空化泡崩溃时会降低冲击波强度而削弱清洗作用。因此有些超声清洗设备具有除气功能，在开机时先进行低于 空化阈值的功率水平作振动，以脉冲或间歇方式振动进行除气．然后功率加到正常清洗的功率水平进行超声清洗；有些超声清洗设备附有抽气装置{所谓真空脱气)，其目的同样是减少清洗液中的残存气体．
驻波的影响。 清洗槽是有限空间，超声波由声源向液面传播时。在液体和气体的交界面会反射回来而形成驻波．驻波的特征是在液体空间的某些地方声压最小，而在另外一些地方声压最大．这样会造成清洗不均匀的现象。要减少驻波的影响，有时清洗槽特意做成 不规则的形状以避免驻波的形成．有时在超声电源方面采取扫频的工方式，使声压最小处不固定在一个地方而是不断地移动．以达到较均匀的清洗。
参考文献
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