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超聲波清洗原理

一、描述:

在我們了解超聲波清洗機工作原理的時候我們應該了解什么是超聲波?眾所周知,人們所聽到的聲音是頻率20~20000Hz的聲波信號,高于20000Hz的聲波稱之為超聲波,聲波的傳遞依照正弦曲線縱向傳播,即一層強一層弱,依次傳遞,當弱的聲波信號作用于液體中時,會對液體產生一定的負壓,使液體內形成許許多多微小的氣泡,而當強的聲波信號作用于液體時,則會對液體產生一定的正壓,因而,液體中形成的微小氣泡被壓碎。經研究證明:超聲波作用于液體中時,液體中每個氣泡的破裂會產生能量極大的沖擊波,相當于瞬間產生幾百度的高溫和高達上千個大氣壓,這種現象被稱之為“空化效應”,超聲波清洗正是應用液體中氣泡破裂所產生的沖擊波來達到清洗和沖刷工件內外表面的作用。

超聲波清洗機工作原理圖片

超聲波清洗機工作原理

二、工作原理:

超聲波清洗機是利用高于20KHZ的超音頻信號,通過換能器轉換成高頻機械振蕩而傳入清洗液中,超聲波在清洗液中疏密相間地向前輻射,使液體流動并產生數以萬計的微小氣泡,這些氣泡是在超聲波縱向傳播形成的負壓區形成生長,而在正壓區迅速閉合,這些氣泡的形成生長及迅速閉合被稱為空化現象。在空化現象中,這些氣泡的閉合形成超過1000個大氣壓的瞬間高壓,連續不斷地瞬間高壓就象一連串小的“爆炸”不停地轟擊物體表面,使物體表面及縫隙之中的污垢迅速剝落,達到迅速清洗效果;當聲壓或者聲強受到壓力到達一定程度時候,氣泡就會迅速膨脹,然后又突然閉合。在這段過程中,氣泡閉合的瞬間產生沖擊波,使氣泡周圍產生1012-1013pa的壓力及局調溫,這種超聲波空化所產生的巨大壓力能破壞不溶性污物而使他們分化于溶液中,蒸汽型空化對污垢的直接反復沖擊,這就是超聲波清洗機原理。

超聲波清洗機工作原理圖

超聲波清洗機工作原理圖

三、超聲波清洗空化作用主要表現哪些形式:

1.存在于液體中的微氣泡(空化核)在聲場的作用下振動,當聲壓達到一定值時,氣泡將迅速變大,然后溘然閉合,在氣泡閉合時產生的沖擊水波能在其附近產生上千個大氣壓的壓力,破壞不溶解性污物而使它們分解在清洗液中。

2.蒸汽型空化對污物層的直接反復沖擊,一方面破換污物與清洗件表面的吸附,另一方面也會引起污物層的疲憊破壞而清洗件表面脫離。

3.氣體型氣泡的振動對固體表面進行擦洗,污物一旦有縫可鉆,氣泡就可以“鉆入”裂痕中振動,使污層脫落。例如工件上的氧化層就可以比較等閑被氣泡剝離。

4.對于有油污包裹住的固體粒子,因為超聲空化的作用。兩種液體在界面迅速分散而乳化,固體粒子即行脫落。

5.空化氣泡本身在振蕩過程中,將伴跟著一系列二階段現象發生,如輻射扭力。輻射扭力在平均液體中作用于液體本身,從而導致液體本身的環境,即稱之為聲流。這個聲流可以作用于量級較大的范圍,也可限于μm量級較小的范內,后者場稱為微聲流,它可以使振動氣泡表面處在很高的速度梯度和粘滯應力,這種應力有時高達100Pa以上,足以使工件表面污物造成破壞而使其脫落。

6.超聲空化在固體和液體界面上所產生的高速微射流能夠除去或削弱邊界污層,增加攪拌作用,加快可溶性污物的溶解,強化化學清洗劑的清洗作用。

超聲波清洗機震動原理圖

超聲波清洗機震動原理圖

四、工作特性:

第一方面破壞污物與清洗件表面的吸附,另一方面能引起污物層的疲勞破壞而被駁離,氣體型氣泡的振動對固體表面進行擦洗,污層一旦有縫可鉆,氣泡立即 “鉆入”振動使污層脫落,由于空化作用,兩種液體在界面迅速分散而乳化,當固體粒子被油污裹著而粘附在清洗件表面時,油被乳化、固體粒子自行脫落,超聲在清洗液中傳播時會產生正負交變的聲壓,形成射流,沖擊清洗件,同時由于非線性效應會產生聲流和微聲流,而超聲空化在固體和液體界面會產生高速的微射流,所有這些作用,能夠破壞污物,除去或削弱邊界污層,增加攪拌、擴散作用,加速可溶性污物的溶解,強化化學清洗劑的清洗作用。由此可見,凡是液體能浸到且聲場存在的地方都有清洗作用,其特點適用于表面形狀非常復雜的零件的清洗。尤其是采用這一技術后,可減少化學溶劑的用量,從而大大降低環境污染。

第二超聲波在液體中傳播,使液體與清洗槽在超聲波頻率下一起振動,液體與清洗槽振動時有自己固有頻率,這種振動頻率是聲波頻率,所以人們就聽到嗡嗡聲。另外,在超聲波清洗過程中,肉眼能看見的泡并不是真空核群泡,而是空氣氣泡,它對空化作用產生抑制作用降低清洗效率。只有液體中的空氣氣泡被完全拖走,空化作用的真空核群泡才能達到最佳效果。上圖是一個在水中工作的換能器剖面圖:在中間是一層一定厚度的不銹鋼板,換能頭沾結在這一層鋼板下,通過超聲發生源產生一定頻率和電壓的交流電信號帶動換能頭和不銹鋼板一起做高頻震動,當鋼板向上震動時,將水向上推開,當鋼板向下震動時,水跟不上鋼板的震動速度,在水和鋼板之間會形成一個空隙,這樣反復震動就會有許多的氣泡形成,如圖所示:這種氣泡就是由“空化效應”產生的,我們稱之為空化泡?栈蓓樦饎臃较蛳蛩袀鞑,如果水中正好有工件,空化泡撞擊到工件表面產生數千個大氣壓的撞擊力,帶動工件表面的污垢脫落。

超聲波清洗機結構示意圖

超聲波清洗機結構示意圖

五、超聲波的危害

人長期受到超聲的影響,會引起人體組織輕微的發熱;當頻率更高時,發熱就會越發厲害,使人體內水分子被燒,周圍的組織遭到破壞,長時間如此就有危險。因此大功率高強度的超聲波持續作用于人體是有害的;小功率超聲波間歇作用于人體卻是有益的。就相當于有人給你輕輕捶背你會感到舒服,但重擊你時你會感到疼痛甚至是傷害。

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