選自《洗凈技術(shù)》

林仲茂 （*聲學(xué)研究所，北京，100080）

摘要本文討論超聲換能器的結(jié)構(gòu)及在清洗槽中的排列和粘結(jié)對超聲清洗機(jī)質(zhì)量的影響， 同時 討論了影響超聲清洗效果的一些因素。

關(guān)鍵詞超聲波換能器 清洗效果 清洗機(jī)．超聲波清洗機(jī)的質(zhì)量

超聲清洗設(shè)備根據(jù)清洗對象和生產(chǎn)規(guī)模的要求， 其組成和結(jié)構(gòu)差別很大，可以是復(fù)雜、龐大的設(shè)備，也 可以是非常簡單的結(jié)構(gòu)。這里著重探討由超聲頻電源、 換能器和清洗槽組成超聲波清洗設(shè)備的核心部分的質(zhì)量問題 。

1．1超聲換能器結(jié)構(gòu)的選擇

在低超聲頻段（20—100KHz），目前工業(yè)上絕大多數(shù)是采用單螺釘夾緊的夾心式壓電換能器（復(fù)合換能器），結(jié)構(gòu)上的差別主要在于輻射體（與不銹鋼板粘接的鋁塊）的形狀，一種是錐體喇叭；另一種直棒形狀。如圖1a和1b所示。

喇叭狀換能器的聲輻射效率比棒狀換能器高，即同樣的輸入電功率．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， 由于喇叭輻射面的面積比棒狀換能器大，所以輻射面的聲強(qiáng)較低，與其粘結(jié)的不銹鋼板表面空化腐蝕小。清洗槽（或浸入式換能器）的壽命延長。所以在一般情況下采用喇叭狀換能器
較好，為進(jìn)一步提高聲輻射效率、展寬頻帶，我國研制 出一種半穿孔結(jié)構(gòu)的寬頻帶超聲清洗換能器”，如 圖2所示

這種換能器尤其在較高頻段{40KHz以上），其優(yōu)點更為突出． 因為它可以削弱橫向振動所帶來的不良影 響由于頻帶較寬，也有利于掃頻清洗．

在某些場合，例如清洗較深螺孔時．宜采用高輻射聲強(qiáng)的換能器，此時換能器的輻射體常具有尖削聚焦形狀，以提高輻射面的聲強(qiáng)。這種換能器一般不是粘結(jié)在清洗槽上，而是直接插入液體中進(jìn)行清洗。

1 2換能器在清洗槽中的分布及粘結(jié)問題

目前有些超聲清洗機(jī)商品，粘在清洗槽底或壁上的換能器分布過密，一個緊挨一個的排列．輸入換能器的電功率強(qiáng)度達(dá)到每平方厘米2-3瓦，這樣高的強(qiáng)度一方面會加快不銹鋼板表面（與清洗液接觸的表面）的 空化腐蝕，縮短使用壽命，另一方面由于聲強(qiáng)過高。會 在鋼板表面附近產(chǎn)生大量較大的氣泡，增加聲傳播損，在遠(yuǎn)離換能器的地方削弱清洗作用。一般選用功率 強(qiáng)度每平方厘米低于1.5瓦為宜（按粘有換能器的鋼板面積計算）。如果清洗槽較深， 除槽底粘有換能器外， 在槽壁上也應(yīng)考慮粘結(jié)換能器。
換能器與清洗槽的粘結(jié)質(zhì)量對超聲清洗機(jī)整機(jī)的質(zhì)量影響很大．不但要粘牢，而且要求膠層均勻、不缺膠和不允許有裂縫，使超聲能量zui大限度地向清洗液中傳輸，以提高整機(jī)效率和清洗效果。目前有些清洗設(shè)備為避免換能器從清洗槽上掉下來。采取螺釘加粘膠的固定 方式，這種連接方式雖然換能器不會掉下來，但是存在許多隱患。如果螺釘焊接質(zhì)量差，例如不垂直于不銹鋼板表面，則膠層不均勻，甚至有裂痕或缺膠，能量傳輸會削弱；另一方面．如果焊接不好也會影響不銹鋼表面的平整，導(dǎo)致加速空化腐蝕，縮短使用壽命．
判斷粘結(jié)質(zhì)量的方法之一，是在清洗槽裝水并開機(jī)工作一段時間后，測量換能器的溫升。如果在眾多的換能器中某個換能器溫升特別快，則表明該換能器可能粘結(jié)不好．因為此時聲輻射不好，電能量大部分消耗在換能器上而發(fā)熱。另一個方法是在小信號條件下逐個測量 換能器的電阻抗大小來判別粘結(jié)質(zhì)量。

目前在超聲波清洗機(jī)的性能方面還存在一些模糊的認(rèn)識：認(rèn)為功率越大，換能器數(shù)目越多．其性能越好，價值越高，甚至以此論價．這種認(rèn)識是不全面的． 如上述，換能器布得過密，功率密度過大，不但清洗效果不好，而且槽底易空化腐蝕．另一方面， 目前超聲 波清洗機(jī)商品所標(biāo)的功率大多是電功率而不是聲功率，如果所標(biāo)是指消耗工頻功率，則超聲波清洗機(jī)質(zhì)量的優(yōu)劣應(yīng)該由效率來判斷。如果效率低，在同樣清洗效果時則耗電大，反而增加了用戶的費用。超聲清洗機(jī)的效率包括兩部分．一是超聲頻電源的效率．即輸入換能器的 高頻電功率與消耗工頻電功率之百分比；另一部分是電聲轉(zhuǎn)換效率，即進(jìn)入清洗液中的聲功率與輸入換能器的電功率之百分比．目前我國在工業(yè)生產(chǎn)中還沒有一種簡便的方法和設(shè)備來測量電聲轉(zhuǎn)換效率。各廠家所標(biāo)的超聲波清洗機(jī)的功率是含糊不清的，亟需有行業(yè)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)．

2．影響超聲清洗效果的因素

超聲清洗的主要機(jī)理是超聲空化作用．超聲空化的強(qiáng)弱與聲學(xué)參數(shù)、清洗液的物理化學(xué)性質(zhì)及環(huán)境條件有關(guān)，所以要得到良好的清洗效果 必須選擇適當(dāng)?shù)穆晫W(xué)參數(shù)和清洗液。
2 1聲強(qiáng)或聲壓的選擇
在清洗液中只有交變聲壓幅值超過液體的靜壓力時才會出現(xiàn)負(fù)壓。 而負(fù)壓要超過液體的強(qiáng)度才能產(chǎn)生空化。使液體產(chǎn)生空化的zui低聲強(qiáng)或聲壓幅值稱為空化閾。各種液體具有不同的空化閾值，在超聲清洗槽中的聲強(qiáng)要高于空化閾值才能產(chǎn)生超聲空化。對于一般液體，空化閾值約為每平方厘米1／3瓦（聲壓的千方正比于聲強(qiáng)）．聲強(qiáng)增加時，空化泡的zui大半徑與起始半徑的比值增大，空化強(qiáng)度增大， 即聲強(qiáng)愈高，空化愈強(qiáng)烈．有利于清洗作用。但不是聲功率越大越好，聲強(qiáng)過高．會產(chǎn)生大量無用的氣泡，增加散射衰減，形成聲屏障，同時聲強(qiáng)增大也會增加非線性衰減，這樣都會削弱遠(yuǎn)離聲源地方的清洗效果。對于一些難清洗干凈的污物，例如金屬表面的氧化物，化纖噴絲板孔中污物的清洗，則需要采用較高的聲強(qiáng)．此時被清洗面應(yīng)貼近聲源，這時大多不采用槽式清洗器．而用棒狀聚焦式換能器直接插入清洗液靠近清洗件的表面進(jìn)行清洗．

2 2頻率的選擇

超聲空化閾值和超聲波的頻率有密切關(guān)系．頻率越高，空化閾越高，換句話說，頻率越高，在液體中要產(chǎn)生空化所需要的聲強(qiáng)或聲功率也越大；頻率低，空化容易產(chǎn)生，同時在低頻情況下，液體受到的壓縮和稀疏作用有更長的時間間隔．使氣泡在崩潰前能生長到較大的尺寸，增高空化強(qiáng)度，有利于清洗作用．目前超聲波清洗機(jī)的工作頻率根據(jù)清洗對象，大致分為三個頻段；低頻超聲清洗（20一50KHz）， 高頻超聲清洗（50—200KHz）和兆赫超聲清洗（700KHz一1MHz以上）．低頻超聲清洗適用于大部件表面或者污物和清洗件表面結(jié)合強(qiáng)度高的場合。頻率的低端，空化強(qiáng)度高。易腐蝕清洗件表面，不適宜清洗表面光潔度高的部件，而且空化噪聲大．40KHz左右的頻率，在相同聲強(qiáng)下，產(chǎn)生的空化泡數(shù)量比頻率為20KHz時多，穿透力較強(qiáng)，宜清洗表面形狀復(fù)雜或有盲孔的工件，空化噪聲較?。栈瘡?qiáng)度較低，適合清洗污物與被清洗件表面結(jié)合力較弱的場合，高頻超聲清洗適用于計算機(jī)。微電子元件的精細(xì)清洗，如磁盤、驅(qū)動器，讀寫頭，液晶玻璃及平面顯示器，微組件和拋光金屬件等的清洗．這些清洗對象要求在清洗過程中不能受到空化腐蝕．要能洗掉微米級的污物。兆赫超聲清洗適用于集成電路芯片、硅片及簿膜等的清洗。能去除微米、亞微米級的污物而對清洗件沒有任何損傷。因為此時不產(chǎn)生空化．其清洗機(jī)理主要是聲壓梯度．粒子速度和聲流的作用．特點是清洗方向性強(qiáng)，被清洗件一般置于與聲束平行的方向．

2.3清洗液的物理化學(xué)性質(zhì)對清洗效果的影響

清洗劑的選擇要從兩個方面來考慮：一方面要從 污物的性質(zhì)來選擇化學(xué)作用效果好的清洗劑；另一方 面要選擇表面張力、蒸氣壓及枯度合適的清洗劑，因 為這些特性與超聲空化強(qiáng)弱有關(guān)。液體的表面張力大則 不容易產(chǎn)生空化，但是當(dāng)聲強(qiáng)超過空化閾值時，空化 泡崩潰釋放的能量也大，有利于清洗．高蒸氣壓的液 體會降低空化強(qiáng)度，而液體的粘滯度大也不容易產(chǎn)生 空化．因此蒸氣壓高和粘度大的潔洗劑都不利于超聲 清洗． 此外，清洗液的溫度和靜壓力都對清洗效果有影 響，清洗液溫度升高時．空化核增加，對空化的產(chǎn)生有 利，但是溫度過高，氣泡中的蒸氣壓增大．空化強(qiáng)度 會降低，所以溫度的選擇要同時考慮對空化強(qiáng)度的影 響，也?？紤]清洗液的化學(xué)清洗作用每一種液體都有 一空化活躍的溫度，水較適宜的溫度是60~C，此時空化 zui活躍。
清洗液的靜壓力大時，不容易產(chǎn)生空化，所以在密 閉加壓容器中進(jìn)行超聲清洗或處理時效果較差。

2．4影響超聲清洗效果的其它因素

清洗液的流動速度對超聲清洗效果也有很大影響。
是在清洗過程中液體靜止不流動．這時泡的生長和閉合運(yùn)動能夠充分完成．如果清洗液的流速過快，則有些空化核會被流動的液體帶走有些空化核則在沒有達(dá)到生長閉合運(yùn)動整過程時就離開聲場，因而使總的空化 強(qiáng)度降低。在實際清洗過程中有時為避免污物重新粘附在清洗件上．清洗液需要不斷流動更新，此時應(yīng)注意清洗液的流動速度不能過快，以免降低清洗效果。

被清洗件的聲學(xué)特性和在清洗槽中的排列對清洗效果也有較大的影響．吸聲大的清洗件，如橡膠，布料等清洗效果差，而對聲反射強(qiáng)的清洗件，如金屬件，玻璃制品的清洗效果好。清洗件面積小的一面應(yīng)朝聲源排放，排列要有一定的間距．清洗件不能直接放在清洗槽底部．尤其是較重的清洗件．以免影槽底板的振動，也避免清洗件擦傷底板而加速空化腐蝕。清洗件是懸掛在槽中，或用金屬羅筐盛好懸掛．但須注意要用金屬絲做成．并盡可能用細(xì)絲做咸空格較大的筐， 以減少聲的吸收和屏蔽。

清洗液中氣體的含量對超聲波清洗效果也有影響。在清洗液中如果有殘存氣體（非空化核）會增加聲傳播損失，此外在空化泡運(yùn)動過程中擴(kuò)散到泡中的氣體，在空化泡崩潰時會降低沖擊波強(qiáng)度而削弱清洗作用。因此有些超聲清洗設(shè)備具有除氣功能，在開機(jī)時*行低于 空化閾值的功率水平作振動，以脈沖或間歇方式振動進(jìn)行除氣．然后功率加到正常清洗的功率水平進(jìn)行超聲清洗；有些超聲清洗設(shè)備附有抽氣裝置{所謂真空脫氣），其目的同樣是減少清洗液中的殘存氣體．

駐波的影響。 清洗槽是有限空間，超聲波由聲源向液面?zhèn)鞑r。在液體和氣體的交界面會反射回來而形成駐波．駐波的特征是在液體空間的某些地方聲壓zui小，而在另外一些地方聲壓zui大．這樣會造成清洗不均勻的現(xiàn)象。要減少駐波的影響，有時清洗槽特意做成 不規(guī)則的形狀以避免駐波的形成．有時在超聲電源方面采取掃頻的工方式，使聲壓zui小處不固定在一個地方而是不斷地移動．以達(dá)到較均勻的清洗。

參考文獻(xiàn)
1侯立琪，林仲茂。應(yīng)崇福。半穿孔結(jié)構(gòu)寬頻帶夾心換能器的理論分析．聲學(xué)學(xué)報，1979，4，271—278．
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[3]沈建中超聲清洗技術(shù)及其應(yīng)用．洗凈技術(shù)．2003（1） 16—20