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超声波的作用原理

2027 人参与  2013年07月10日 04:39  分类 : 前处理工艺 前处理设备  评论

超声波的作用原理
超声波清洗的原理,在理论要加以阐述是比较复杂的,里面牵涉许多因素和作用,可以体现超声波清洗作用的主要有以下三点。

(1)空穴作用
当强力的超声波辐射到液体中,清洗液以静压(一个标准气压)为中心进行变化,在压力到零气压以下时,溶解在液体中的氧会形成微小气泡核,进而产生无数近似真空的微小空洞(空穴)。超声波的正压力时的微小空洞,在绝热压缩状态被挤碎,这个发生在挤碎瞬间的强力冲击波,可直接破坏污染物并使之分散在液中,形成清洗机理。试验中这种强力的清洗作用,能在数十秒内对铝箔侵蚀成无数的小孔。

利用空穴作用的清洗,对去油污的效果比较好,通常在28KHZ~50KHZ的频率内进行机械另部件的清洗,清洗机的超声波强度大多设定在0.5~1w/cm2。

(2)加速度
清洗液体经超声波辐射,液体分子发生振动,这种振动加速度在28KHZ时是重力加速度的103倍,在950KHZ时将达到105倍,由这个强力加速度可以对受污物的表面实行剥离清洗。然而,950KHZ的超声波不产生空穴,不适应去油污的清洗,只能在电子工业的半导体制造中,对亚微米粒子的污染进行清洗。

(3)物理化学反应的促进作用
由空穴作用使液体局部发生高温高压(1000气压,5500℃),再经振动产生的搅拌,促使化学或物理作用的相乘,液体不断地乳化分散,进一步促进化学反应的速率。

清洗液深度的确定
液体中的超声波会因行波、回波的相互干扰及强合结果,将形成“驻波”现象,(见图1)。确定产生驻波的液体深度,能得到最好的超声波辐射效果。产生驻波的液体深度,可用下面公式计算。

液深(λ/2)=声速/频率÷2
这个液体深度的正倍数数值,也是最适合的深度,例在20℃水温,28K1c时液深为27mm、54mm、81mm等等,38KHZ时液深为21mm、42mm、63mm等,但是,不同的液体、液温及超声振荡器,其驻波发生情况是不同的。参见表1。

表 1 驻波的产生情况比较

清洗液 声 速 λ/2
水 20℃ 1483mm 27mm
氟里昂 20℃ 717mm 13mm
IPA 20℃ 1168mm 21mm
酸碱清洗剂 20℃ 1483mm 27mm

超声波产生方式和清洗条件的设定
超声波的产生方式由表2表示,可按不同的清洗目的加以选择,目前常用的是能进行强力清洗的连续振荡方式。频率调制和多频率的方式,清洗时清洗不均现象较多,对污染严重物体的清洗不太适应。

表 2 超声波的产生方式

方 式 内 容 特 征
连续振荡 振幅及频率是固定的 可强力清洗。由驻波作用使清洗不均,应增加摇动,达到清洗均匀性。
加宽调制 振幅变化 有良好的脱气效果,对不同物体清洗性好,噪声大。
频率调制(FM振荡) 振荡频率实行数千赫的变化 能均匀地清洗。清洗效率差,平均输出功率低。
同时多频率 多种频率同时发生 形成均衡的声场,清洗均匀,不易得到强力的超声波。
多频率交替 每一种频率发生复数个频率 清洗均衡,不易得到强力清洗。
圆锥形辐射清洗 用不锈钢制成的共振体进行超声波辐射。一般在清洗不充分场合使用 可获得常规超声波10倍或20倍的强度,性能高。 但清洗面小,噪声大
清洗条件的选择设定主要有以下数点。
·清洗位置:将清洗物置于驻波压力最大的位置,可获得最佳的清洗效果。但是比驻波大的物体清洗时,易产生清洗不均,这时应将物体在上下数十毫米内加以摇动,这是减少清洗不良的常用方法。
·由网孔引起的衰减:在清洗小型另件时,多使用网篮方式,网篮网孔的大小不当,会造成超声波衰减,使清洗力降低,例在28KHZ场合,网篮的网孔直径需在5mm以上,才可正常清洗。如小的螺钉清洗时,网孔最小要做到1mm,如果衰减大,使用0.1-0.5mm的薄板网蓝,也可得到正常清洗效果。
·频率:对于频率因素涉及的清洗效果,大体可这样认为,采用频率低的针对较难清洗的污垢,频率高的,适合于精密清洗场合。
·液体温度:随着液温的上升,液中生存的气泡会遮断声波,使超声波减弱,但是在常规做法上都以提高液温来增加清洗能力。适合的液温要针对不同的清洗液和清洗物来确定,一般场合液温在5060℃比较适当。

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