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超声波清洗机工作(清洗)原理

2022-02-12 15:33
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,超声波清洗机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。

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20000Hz以上的的声波,通常振动频率在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。


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28~100kHz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。

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:
 超声波清洗原理
其中:α为质点振动的加速度,m/s,ρ为清洗液密度,kg/m2,c为声波在清洗液中的传播速度,m/s,(对于水,ρc等于1.46×106kg/(m2·s)),f为超声波频率,H2,I为超声波强度或输出的功率密度,W/cm2。由此式可知,对于半波长为1mm的高频超声波,在这样小的距离中就要出现方向相反的相当于重力加速度数百万倍的加速度变化,以及成千大气压的声压压强的变化,清洗液质点把这些能量传给污垢并造成它们的解离分散,因此加速度作用清洗的效果是非常明显的。

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:
 超声波清洗原理
其中,p为真空洞穴界面压力,Pa;P0为标准大气压,Pa;r0为真空洞穴最初半径,cm;r为真空洞穴破裂前最大的半径,cm。

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。
超声波清洗机工作原理

超声波清洗机的工作原理:


超声波清洗机是利用每秒钟高于17~30KHz次频率振动声波,在专用清洗剂配成的溶液中,生产数以百万计的细小气泡,这些小气泡快速压缩与扩张过程中,不停地产生内爆作用,从而使被清洗物形成不规则形体或细缝中的污物被震离表面,达到清洗目的。
 

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