1.刖目超聲清洗技術(shù)的機(jī)理研究及設(shè)備開發(fā)與超聲清洗工藝研究及應(yīng)用在我國(guó)已有近50年的歷史，幾乎是與國(guó)外同步進(jìn)行的。上世紀(jì)80年代前，我國(guó)的超聲清洗研制單位無論從研制隊(duì)伍還是從生產(chǎn)上講，有一定規(guī)模的為數(shù)不多。上世紀(jì)80年代后，特別是90年代開始，隨著改革開放的深入和經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，以及科技的不斷進(jìn)步，尤其是先陳思忠（1938―），男，研究員，中國(guó)聲學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)士，上海聲學(xué)學(xué)會(huì)理事，《聲學(xué)技術(shù)》、《艦船電子工程》等雜志編委。主要從事工業(yè)超聲的研制工作。

進(jìn)制造技術(shù)的需求，超聲清洗技術(shù)的研究與超聲清洗設(shè)備的研制得到了迅速發(fā)展，研制隊(duì)伍不斷壯大，研制單位不斷增多。

超聲清洗屬于物理力清洗，其本身為綠色清洗，若在清洗液中添加適宜的清洗劑則屬組合清洗，更具明顯的清洗效果。超聲清洗與現(xiàn)代科技發(fā)展及先進(jìn)制造工藝密切相關(guān)，是目前功率超聲中應(yīng)用廣泛的領(lǐng)域之一。超聲清洗在各種化學(xué)、物理以及機(jī)械的清洗中是較為有效的一種手段，它被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、光學(xué)、電子、輕工、紡織、化工、航空航天、船舶、原子能以及醫(yī)療醫(yī)藥等工業(yè)部門。

技術(shù)洗凈技術(shù)2.超聲波清洗技術(shù)的特點(diǎn)與機(jī)理超聲波清洗與其它清洗相比具有洗凈率高、殘留物少（見表1）、清洗時(shí)間短，清洗效果好的優(yōu)點(diǎn)（見）。凡是能被液體浸到的被清洗件，超聲對(duì)它都有清洗作用，不受清洗件表面形狀限制，例如深孔、狹縫、凹槽，都能得到清洗。由于超聲波發(fā)生器采用D類工作放大，換能器的電聲效率高，因此超聲清洗具有節(jié)能的特點(diǎn)，是一種真正高速、高質(zhì)量、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的清洗技術(shù)。若清洗劑采用非ODS清洗劑，則具有綠色環(huán)保清洗作用。超聲清洗對(duì)玻璃、金屬等反射強(qiáng)的物體清洗效果好，而不適宜紡織品、多孔泡沫塑料、橡膠制品等聲吸收強(qiáng)的材料。

超聲清洗效果比較超聲清洗槽內(nèi)液體的某一點(diǎn)受壓情況超聲波清洗機(jī)理分兩種情況，一種情況是超聲清洗在中、低頻時(shí)，即頻率在20kHz130kHz范圍內(nèi)，特別是在20kHz40kHz情況下，把液體放入清洗槽內(nèi)，槽內(nèi)作用超聲波。由于超聲波與聲波一樣，是一種疏密的振動(dòng)波，介質(zhì)中的壓力作交替變化。如對(duì)液體中某一確定點(diǎn)進(jìn)行觀察，這點(diǎn)的壓力如曲線A所示。以靜壓（一般為一個(gè)大氣壓）為中心，產(chǎn)生壓力的增減，若依次增加超聲波強(qiáng)度，壓力振幅也隨著增加。像曲線B所示，并產(chǎn)生所謂負(fù)的壓力。在此區(qū)域液體中會(huì)產(chǎn)生一種撕拉的力，且形成真空的空泡，并又被后面的壓縮力壓擠而破滅。這種在聲場(chǎng)作用下的振動(dòng)，當(dāng)聲壓達(dá)到一定值時(shí)，氣泡將迅速增長(zhǎng)，然后又突然閉合。在氣泡閉合時(shí)，由于液體相互碰撞，將產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波，其壓強(qiáng)Pmax由（1）式表示。

其中P0為靜水壓，Rm為空穴的初始半徑，R為空穴半徑，根據(jù)（1）式估算，局部壓強(qiáng)可達(dá)到上千個(gè)大氣壓。這就是平常所說的超聲空化。超聲空化有一個(gè)閾值，其含義為使液體產(chǎn)生空化的低聲強(qiáng)或聲壓幅值。空化閾P(yáng)c可由式（2）表示：其中。為表面張力系數(shù)，Pv為蒸氣壓，R0為氣泡核半徑，可見空化閾值隨液體不同而不同。同一種液體，在不同的壓力下，其空化閾值不一樣，它隨著壓力增加而增加，與液體粘滯系數(shù)有關(guān)。粘度大，表面張力大，空化閾值高。空化閾值還與工作頻率有關(guān)，頻率越高其空化閾值也越高，產(chǎn)生空化越難。氣泡在聲場(chǎng)下作振動(dòng)，但不一定破裂，只有當(dāng)聲波的頻率低于氣泡的諧振頻率時(shí)才可使氣泡破滅。氣泡的諧振頻率由式（3）給出。

空化閾值與頻率的關(guān)系曲線如所示?？栈夹g(shù)洗凈技術(shù)閾值還與液體含氣量有關(guān)，含氣量愈少，空化閾值愈高。空化閾值與超聲波作用時(shí)間長(zhǎng)短時(shí)間有關(guān)，超聲波輻射時(shí)間愈長(zhǎng)空化閾值愈低。空化閾值與清洗液溫度有關(guān)，清洗液溫度升高，對(duì)空化有利，但溫度過高時(shí)，氣泡中蒸汽壓增大，因此氣泡閉合期增強(qiáng)了緩沖作用而使空化減弱。對(duì)于水清洗液，較適宜的溫度為60C左右。根據(jù)以上中低頻超聲清洗機(jī)理，可選擇工作狀態(tài)，從而得到清洗效果。

第二種情況：超聲清洗工作頻率在1MHz左右甚至高達(dá)3MHz，有時(shí)被稱之為兆赫級(jí)超聲清洗。由于頻率太高，聲波在清洗液中很難發(fā)生空化，其清洗機(jī)理一般認(rèn)為主要由于聲壓梯度、粒子速度及聲流的作用，而空化效應(yīng)是次要的。這種超聲清洗的特點(diǎn)是清洗方向性強(qiáng)，清洗時(shí)一般將零件表面置于與聲束平行的方向。

從上述超聲清洗機(jī)理可知，超聲清洗主要由超聲空化引起，空化效應(yīng)是主要因素。氣泡的爆破產(chǎn)生的高壓高溫沖擊波減小了污垢與被清洗件之間的粘著力，引起污垢的破壞和脫離；同時(shí)氣泡的振動(dòng)能對(duì)被清洗物表面進(jìn)行擦洗，氣泡還能鉆入裂縫中振動(dòng)，使污層脫落。當(dāng)某些固體表面被油粘附時(shí)，油被超聲波乳化，迅速脫離被清洗件表面。超聲空化在被清洗件表面會(huì)產(chǎn)生很高的速度梯度和聲流，能進(jìn)一步削弱或除去邊界層污染，同時(shí)超聲振動(dòng)還會(huì)引起介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的強(qiáng)烈振動(dòng)，使被清洗件表面受到強(qiáng)烈的沖擊，使污物迅速脫離表面。

3.超聲清洗技術(shù)參數(shù)的選擇超聲清洗效果不一定與所加功率和工作時(shí)間成正比，有時(shí)用小功率花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間也沒有清除污垢，而如果功率達(dá)到一定數(shù)值，則有可能很快將污垢去除。若超聲功率太大，這時(shí)液體中空化強(qiáng)度大大增加，較精密的零件將產(chǎn)生蝕點(diǎn)，造成不必要的損失，同時(shí)清洗缸底部振動(dòng)板空化也十分嚴(yán)重，使缸的壽命縮短。另外一點(diǎn)：超聲功率選得太大，使液體中聲強(qiáng)過高，會(huì)產(chǎn)生大量氣泡，在聲波表面形成一道屏障，聲波不易輻射到整個(gè)缸體中，造成遠(yuǎn)離聲源的地方清洗作用減弱。所以選擇合適的聲強(qiáng)是必須的。鑒于目前混響場(chǎng)聲強(qiáng)測(cè)量的技術(shù)尚不夠成熟，目前還是用單位面積上的功率來進(jìn)行設(shè)計(jì)，一般一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)超聲清洗器輸出功率密度大多選在0.30.6w/cm2之間。至于連續(xù)波聚焦超聲清洗一般選在幾十瓦每平方厘米左右，脈沖聚焦超聲清洗可選得更高。

3.2工作頻率的選擇目前常用的超聲清洗器工作頻率在2040kHz之間。工作頻率低，在使用水或水清洗劑時(shí)由空穴作用引起的物理清洗力顯然有利，但空化引起的噪聲大，噪聲分貝數(shù)大大超過有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，所以20kHz及以下的頻率目前很少使用，除非降噪措施跟上。

對(duì)于小間隙、狹縫、深孔的零件的清洗，選用高一些頻率較好。國(guó)外有的用幾百千赫茲清洗精密鐘表零件。對(duì)于清洗像硅片表面零點(diǎn)幾微米的微小顆粒污物，頻率可選在兆赫茲級(jí)范圍。

3.3清洗籠的選擇在清洗小零件物品時(shí)，常需要使用網(wǎng)籠。但是網(wǎng)籠會(huì)引起超聲衰減。為改變網(wǎng)眼尺寸后測(cè)技術(shù)洗凈技術(shù)量的透射率結(jié)果。從中看出，當(dāng)頻率為28kHz時(shí)，網(wǎng)眼尺寸大于1mm以上為好。

3.4清洗液溫度的選擇水清洗液適宜的清洗溫度大約在4060°C間，網(wǎng)眼尺寸與聲波透射率的關(guān)系尤其在冷天。若清洗液溫度過低，則空化效應(yīng)差，清洗效果也不好。因此有部分清洗器在缸內(nèi)設(shè)置加熱保溫控制。如果溫度繼續(xù)升高，空泡內(nèi)氣體壓力增加，引起沖擊聲壓下降，對(duì)清洗不利（見）。從中看出，在各種不同的清洗液中，空化強(qiáng)度對(duì)鋁的腐蝕量隨溫度變化有個(gè)值。表2表明在相同超聲強(qiáng)度和相同頻率下，相同時(shí)間內(nèi)，鋁在不同液體中的溫度與腐蝕量的關(guān)系。

3.5清洗液量的選擇清洗液量一般高于振子表面100mm以上為清洗物品在缸中位置的選擇佳，但根據(jù)清洗器功率大小有所不同，例如功率為300w、頻率為25kHz的清洗器液面高約100 120mm；而功率為600w時(shí)，液面可到150mm左右。由于單頻清洗器受駐波場(chǎng)的影響，波節(jié)處振幅很小，而波幅處振幅很大，造成清洗不均勻，選擇是被清洗件位置應(yīng)放在波幅處（見），或使物品上下移動(dòng)，使清洗均勻。

4.超聲波清洗設(shè)備的基本組成超聲波清洗設(shè)備無論功率大小，基本上由清表2鋁在不同液體中的空化腐蝕量/mg 溫度水煤油苯酒精丙酮10|洗凈技術(shù)技術(shù)洗凈技術(shù)洗缸、換能器、超聲波發(fā)生器三部分組成。其中大型多槽式清洗器還包括機(jī)械傳動(dòng)裝置、清洗液回流過濾裝置、溫度控制裝置、噴流裝置和烘干設(shè)備，如果是氣相式超聲設(shè)備還包括一臺(tái)冷水機(jī)。若用碳?xì)浠衔锶軇┣逑?，則還需真空及干燥設(shè)備。

也稱為清洗槽。清洗缸尺寸的選擇應(yīng)根據(jù)超聲電功率大小而定，如果以每只50w標(biāo)準(zhǔn)換能器進(jìn)行組裝，則缸底尺寸基本上以。5w/cm2進(jìn)行計(jì)算，至于深度應(yīng)考慮上面所述的液面高度，還應(yīng)適當(dāng)滿足被清洗件的尺寸要求。缸的材料大多選用不銹鋼，厚度在1.53.0mm之間，缸底加工必須平整，還需噴砂處理。