人的耳朵只能感受到振蕩頻率在20?20000Hz范圍的聲波，把超過人耳能感受到的聲波頻率以上的聲波叫超聲波。

超聲波有許多實際應(yīng)用。超聲清洗是大功率超聲最主要的應(yīng)用手段之一。它是一項應(yīng)用最廣泛的功率超聲方法和應(yīng)用技術(shù)。將被清洗的物體浸入盛有清洗液的清洗槽中，并且向清洗液中導(dǎo)入強超聲波，利用超聲波的能量來實現(xiàn)清洗，這就是超聲清洗。超聲清洗是清除物體表面異物和污垢最有效的方法，其清洗效率高、質(zhì)量好。具有許多其他清洗方法所不能替代的優(yōu)點，而且能夠高效率地清洗物體的外表面和內(nèi)表面。超聲清洗不僅清洗的污物種類廣泛，包括塵埃、油污等普通污染物和研磨膏類帶放射性的特種污染物，而且清洗速度快，清洗后污垢的殘留物比其他清洗方法的要少很多。超聲清洗還可以清洗復(fù)雜零件以及深孔、盲孔、狹縫中的污物，并且對物體表面沒有傷害或只引起輕微損傷，對環(huán)境的污染小，成本相對來說不高，而且對操作人員沒有損害。

目前，超聲清洗已經(jīng)成為許多生產(chǎn)加工企業(yè)不可或缺的一道工序。它的應(yīng)用范圍包括機械、電子、材料、化工、紡織、航空、核能、石油、醫(yī)藥、食品等工業(yè)部門以及農(nóng)業(yè)、環(huán)保、科學(xué)研究、日常生活等領(lǐng)域?，F(xiàn)在，超聲清洗技術(shù)還在不斷發(fā)展，并在此基礎(chǔ)上形成了一個新興產(chǎn)業(yè)。

毫無疑問，了解超聲波清洗的原理、方法和技術(shù)，對于人們選取適當(dāng)?shù)某暻逑丛O(shè)備和技術(shù)、研究開發(fā)新穎的超聲清洗技術(shù)和裝置、尋找合適的清洗劑，以獲得最佳的清洗效果，是十分有益的。

超聲波清洗裝置

超聲波的清洗裝置示意圖如圖4-21所示。

圖4-21超聲波清洗裝置示意圖

由圖可見，由電磁振蕩器產(chǎn)生的單頻率簡諧電信號（電磁波）通過超聲波發(fā)生器把電磁波轉(zhuǎn)化為同頻率的超聲波，通過清洗槽中的媒液把超聲波傳遞到清洗對象。超聲波發(fā)生器通常固定在清洗槽的下部，有時也可以裝在清洗槽的側(cè)面。在用超聲波清洗大的缸體內(nèi)表面時，可釆用可移動的超聲波發(fā)生器裝置。

在圖4-22中可以看到超聲波發(fā)生器有安裝在清洗槽底部的，連接在清洗槽底外部的，也有連在清洗槽外部通過振動棒伸入槽中的。被清洗的小件物體可被裝在吊籃中固定在一定的位置上，也可以上下移動或轉(zhuǎn)動。超聲波清洗箱通常用不銹鋼制成。

圖4-22超聲波清洗裝置

超聲波的清洗作用原理

超聲波清洗的主要機理是：利用超聲波在媒介流體中產(chǎn)生的空穴在破裂時釋放的能?量來清除污垢。即通過換能器傳播聲能，聲能產(chǎn)生壓力梯度，壓力梯度會導(dǎo)致媒介液體交替發(fā)生壓縮和膨脹。當(dāng)壓力增大時，生成空穴氣泡。當(dāng)氣泡長大到某一尺寸后就會破裂，因為此時它已不能抗衡周圍液體的壓力和重力。空穴爆裂時會產(chǎn)生微觀水平的劇烈沖擊波，科研人員已經(jīng)計算出理論上的局部溫度會高達攝氏幾千度，理論局部壓力會高達幾百個大氣壓。

超聲波作用包括超聲波本身具有的能量作用，空穴破壞時放出的能量作用以及超聲波對媒液的攪拌流動作用等。

1.超聲波的能量作用

超聲波具有很高的能量，它在傳媒液體中傳播時，把能量傳遞給傳媒質(zhì)點，傳媒質(zhì)點再將能量傳遞到清洗對象物表面并造成污垢解離分散。聲波是一種縱波，即傳媒質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向一致。在縱波傳播過程中，傳媒質(zhì)點運動造成質(zhì)點分布不勻，出現(xiàn)疏密不同的區(qū)域，在質(zhì)點分布稀疏區(qū)域聲波形成負聲壓，在分布致密區(qū)域聲波形成正聲壓，并形成負聲壓、正聲壓的交替連續(xù)變化，這種變化不僅使傳媒質(zhì)點獲得一定動能而且獲得一定加速度。加速度振幅（αm）大小符合下列公式：

公式：

式中：αm為加速度振幅；ρ為媒質(zhì)密度；c為聲波在媒質(zhì)中的傳播速度；對于水，ρc等于1.46×10?Kg?m-2s-1；f為超聲波頻率；I為超聲波強度或輸出的功率密度（W?cm-2），即單位時間內(nèi)通過垂直于聲波傳播方向的單位面積的聲波能量。超聲波傳遞給傳媒質(zhì)點的能量是與超聲波頻率和輸出功率密度成正比的。我們知道在相距半波長的兩點處，振動周相相反，即一點的加速度達到極大值時，另一點就達到負的加速度極大值。對于半波長為1mm的高頻超聲波，在這樣小的距離中就要出現(xiàn)方向相反的相當(dāng)于重力加速度數(shù)百萬倍的加速度變化以及成千大氣壓的聲壓壓強的變化，因此高頻超聲波的能量作用是異常巨大的。在具有能量的傳媒質(zhì)點與污垢粒子相互作用時，把能量傳遞給污垢并造成它們的解離分散。

超聲波與通常聲波一樣在媒液中傳播是直線運動方式。運動速度與媒液有關(guān)，在不同媒液中傳播速度不同，如在空氣中為340m?s-1，在純水中1430m?s-1。不同頻率的聲波，具有不同波長（λ），波長乘以頻率（γ）等于波速（c）即c=λγ，所以頻率與波長成反比關(guān)系。超聲波的頻率比通常的聲波頻率高，所以波長短，能量高。表4-7中列有在不同媒體中各種頻率的聲波相應(yīng)的波長。

在媒體中直線前進的超聲波，到達與其他物質(zhì)的界面時，要發(fā)生透射和反射運動，發(fā)生透射與反射的程度是由構(gòu)成界面物質(zhì)的聲阻抗率決定的，聲阻抗率是傳聲媒質(zhì)某一給定表面的聲壓與質(zhì)點速度之比。各種傳聲媒質(zhì)都有固定的聲阻抗率，其數(shù)據(jù)見表4-8。

表4-7各種媒體中聲波的速度與波長①

表4-8各種媒體的聲限抗率

當(dāng)超聲波行進到聲阻抗率相差很大的兩種媒質(zhì)的界面時，主要發(fā)生反射，而在聲阻抗率相近的兩種媒質(zhì)的界面上主要發(fā)生透射。如當(dāng)超聲波行進到水一空氣界面時，由于空氣密度遠小于水，因此聲阻抗率也相差較遠，所以此時聲波主要發(fā)生反射；同樣超聲波行進到水一鋼鐵界面時，由于兩種媒質(zhì)之間聲阻抗率相差很大，所以主要也發(fā)生反射。而當(dāng)超聲波行進到水一塑料界面時，由于兩種媒質(zhì)之間聲阻抗率相近，所以超聲波主要發(fā)生透射。圖4-23表示超聲波的反射和透射。

反射回來的超聲波與前進中的超聲波合成后，當(dāng)每一點的位相差保持穩(wěn)定不變時，發(fā)生共振，而在某些固定位置上相互疊加而加強，媒液在這些位置上容易產(chǎn)生空穴。圖4-24為超聲波形成的共振波。

2.空穴破壞時釋放的能量作用

空穴又稱氣穴、空洞。由于超聲波以正壓和負壓重復(fù)交替變化的方式向前傳播，負壓時在媒液中造成微小的真空洞穴，這時溶解在媒液中的氣體會很快進入空穴并形成氣泡；而在正壓階段，空穴氣泡被絕熱壓縮，最后被壓破，在氣泡破裂的瞬間對空穴周圍會形成巨大的沖擊，使空穴附近的液體或固體都會受到上千個大氣壓的高壓，放出巨大的能量。這種現(xiàn)象在低頻率范圍的超聲波領(lǐng)域激烈地產(chǎn)生。當(dāng)空穴突然爆破時，能把物體表面的污垢薄膜擊破而達到去污的目的。圖4-25顯示了在超聲波產(chǎn)生駐波的音域范圍內(nèi)，把一個厚為17μm的鋁箔垂直插入超聲波清洗器中，在空穴產(chǎn)生最多的帶狀區(qū)域（被稱為最大聲壓帶），鋁箔受沖擊最大，黑點顯示鋁箔在最大聲壓帶受損傷的情況。

圖4-23超聲波的反射與透射

圖4-24超聲波形成的共振波

圖4-25空穴造成鋁箔損傷

圖片P200頁

當(dāng)使用的超聲波頻率在28?100kHz范圍內(nèi)時，超聲波的幾種作用都存在。而空穴消失過程產(chǎn)生的巨大壓力作用十分突出。當(dāng)使用的超聲波頻率在特高頻率范圍時，超聲波的作用主要是其本身巨大的能量作用，并不產(chǎn)生空穴，但這種巨大的能量對細微污垢的去除清洗作用很大。

另外超聲波不僅有幫助媒液加快溶解污垢的作用，而且也起到攪拌作用，使媒液發(fā)生運動，新鮮媒液不斷作用于污垢加速溶解。所以超聲波強大的沖擊力如果作用發(fā)揮適當(dāng)?shù)脑挘纱偈诡B固附著的污垢解離，而且使清洗力不均勻的情況得以避免。但由于超聲波使用過程中存在對清洗對象造成損傷的可能性，所以當(dāng)清洗對象很脆弱的情況不宜采用超聲波清洗。

3.影響產(chǎn)生空穴的因素

超聲波清洗主要是靠空穴的作用，而產(chǎn)生空穴的強弱與超聲波聲學(xué)參數(shù)和清洗液的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。為獲得良好的清洗效果必須選擇合適的清洗液和適當(dāng)?shù)某暡晫W(xué)參數(shù)。

（1）超聲波聲強（或聲壓）在液體中只有交變聲壓幅值超過靜壓力時才出現(xiàn)負壓，而負壓要超過液體的強度才能產(chǎn)生空穴。使液體產(chǎn)生空穴的最低聲強或聲壓幅稱為空化閾，各種液體具有不同的空化閾值。

在超聲波清洗槽中的聲強要高于空化閾才能產(chǎn)生空穴。對于一般液體，空化閾約為1/3W/cm2（聲強與聲壓的平方成正比），聲強增加時，空化泡最大半徑與起始半徑的比值加大，使空化強度增大，而且空穴數(shù)量也增加，有利于清洗作用。

但并不是聲強越高，清洗效果越好，當(dāng)聲強過高時，在聲源表面會產(chǎn)生大量無用的氣泡而形成一道聲屏障，使遠離聲源的聲波強度減弱而削弱清洗作用。所以在清洗槽中，聲強一般選擇在1?2W/cm2范圍。對于一些難清洗干凈的污物，如對金屬表面的氧化膜，化纖噴絲板孔中污物的清洗則采用較高的聲強，注意此時被清洗物體表面應(yīng)貼近聲源。

（2）超聲波的頻率液體的空化閾值與超聲波頻率有密切關(guān)系。頻率越高，空化閾也越高，即頻率越高，在液體中產(chǎn)生空穴所需要的聲強或聲功率也越大。而超聲波頻率低時，容易產(chǎn)生空穴，同時在低頻率情況下，液體受到的壓縮與稀疏作用之間有更長的時間間隙，使氣泡在崩潰前能長到較大尺寸，使崩潰時空化強度增高有利于清洗作用。因此對于質(zhì)量和體積較大的清洗物體，一般選用較低頻率的超聲波清洗機，對于一些輕巧而容易損壞的零件清洗時則選用較高頻率的超聲波清洗機。另外，選擇頻率時還需考慮噪聲的問題，頻率低于20kHz時噪聲大，因此超聲波清洗機的頻率大多選擇在20~50kHz范圍。

（3）清洗液的性質(zhì)清洗液的表面張力、蒸氣壓及粘度等性質(zhì)對空穴的產(chǎn)生有直接影響，液體表面張力大則空穴崩潰時釋放的能量也大，有利于超聲波清洗。水的表面張力比有機溶劑大，所以通常選用水作超聲波清洗的媒體。由于蒸氣壓高的液體，空穴強度低，粘度大的液體的空化閾大，不易產(chǎn)生空穴，因此蒸氣壓高、粘度大的清洗液都不利于超聲清洗。

洗滌媒液的選擇

超聲波清洗都是以一定的液體作媒質(zhì)的條件下進行的，選擇媒液是以能充分發(fā)揮超聲波的作用達到去污目的為原則的。由于水是產(chǎn)生空穴效果最好的液體，通常用清水做媒液，用量不很大，也不需要采用噴射或攪拌的方法來使水劇烈流動。但由于清水對油性污垢的分散解離能力較差，因此實際上常采用表面活性劑或酸、堿水溶液作超聲波清洗的媒液。

由于各種親水性或親油性有機溶劑產(chǎn)生空穴效果的能力比水差，所以如果用這些有機溶劑做媒液，實際上要靠它們對污垢的溶解分散能力作補充才能有效地去除污垢。而且有機溶劑往往存在易燃、易爆和有毒的問題，因此通?？偸怯盟雒揭?。

超聲清洗在上世紀(jì)50年代末期到60年代初期開始有較大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用。當(dāng)時，所使用的超聲是低功率密度的，一般只有2?3W/cm2。為了改善清洗效果，人們從增加超聲強度和尋找合適的清洗液兩個方面去努力。經(jīng)研究，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用氟里昂可以增強表面污物的溶解度，使清洗效率和清洗質(zhì)量有很大提高。這個發(fā)現(xiàn)，促進了超聲清洗的應(yīng)用，但也為我們現(xiàn)在尋找氟里昂的替代物提出了新課題。另一方面，人們很快就加強了超聲強度，實現(xiàn)了大振幅清洗。所使用的超聲功率密度提升到12-15W/cm2，使質(zhì)點的振幅達到12?15μm。這些努力，促進了超聲清洗的發(fā)展和普及，也推動了對超聲清洗作用機理的深入研究。

用超聲波清洗應(yīng)注意的問題

在一定條件下用超聲波清洗才能獲得較好效果，因此需要注意以下問題。

1.了解各種因素對清洗效果的影響

（1）溫度：清洗液溫度對清洗效果有很大影響。清洗液溫度升高時空穴數(shù)量增加，對產(chǎn)生空穴有利，但溫度過高，氣泡中蒸氣壓增大，空化強度會降低。各種媒液都有一空化活躍的溫度，如水清洗液空化活躍溫度為60°C，因此用60°C水做清洗液較適宜。

（2）壓力：當(dāng)清洗液壓力大時不易產(chǎn)生空穴，所以超聲波清洗都是在敞口容器中進行，在密閉扣壓容器中進行時效果較差。

（3）清洗液流速：在清洗過程中清洗液最好不流動，當(dāng)液體靜止不動時空穴的生長和崩潰的過程能充分完成，而清洗液流速過快時有些空穴核心還沒有完成生長和崩潰的全部過程就離開清洗表面使空化程度降低。有時為了避免污垢再沉積到已清洗好的表面，希望清洗液流動更新，但此時清洗液的流動速度也不能過快以免降低清洗效率。

（4）清洗液中氣體含量：清洗液中如果存在非空穴核的大氣泡時會對超聲波的傳播及空穴強度都產(chǎn)生不利影響，因此需要降低清洗液中氣體含量。有些超聲波清洗設(shè)備具有除氣功能。在清洗前先進行低于空化閾的功率水平作振動，以脈沖或間歇方式振動進行除氣，然后再把功率提高到正常清洗的功率水平進行超聲波清洗。

（5）清洗物體聲學(xué)特性：吸聲大的物體如橡膠、布料等用超聲波清洗效果差，而對聲波反射強的材料如金屬、玻璃制品清洗效果較好。

2.克服空穴產(chǎn)生的不均勻性

前己述及空穴是沿著最大聲壓帶不均勻地產(chǎn)生的。當(dāng)清洗對象在洗液中處于靜置狀態(tài)時就會由于空穴產(chǎn)生的不均勻造成清洗的不均勻現(xiàn)象。通常為克服這種現(xiàn)象的發(fā)生，常采用以下方法：

（1）移動清洗對象：當(dāng)清洗對象在洗槽中移動時，空穴能較均勻地作用于清洗對象的表面。最常用的方法是讓清洗對象發(fā)生旋轉(zhuǎn)，當(dāng)物體位于與空穴最大聲壓帶垂直相交的平面上清洗效果比較均一。

（2）改變洗液深度：當(dāng)洗槽液面上下變動時，空穴最大聲壓帶的位置也發(fā)生相應(yīng)變化可以克服不均勻性。

（3）形成矩形波形：把幾種不同波長的超聲波合成在一起，所產(chǎn)生的超聲駐波，最大聲壓帶范圍擴大，可以克服不均性。

（4）防止共振波的生成：如果使液面與清洗對象表面不相互垂直，可防止在清洗對象表面發(fā)生受迫振動并形成共振波。這樣，一方面可減少清洗不勻，同時也可避免清洗對象損傷。

（5）多重超聲波發(fā)射：用不同波長的超聲波同時產(chǎn)生振蕩的方法。幾種超聲波之間相互影響，使得產(chǎn)生的空穴造成的不均現(xiàn)象得到改善。

3.克服由于超聲波被反射而造成的效果不均勻性

當(dāng)超聲波反射發(fā)生在清洗對象內(nèi)側(cè)的表面，金屬管道的內(nèi)表面，金屬物品深陷處的凹面以及碰到金屬網(wǎng)做的清洗物容器時，都會妨礙超聲波的透過而造成超聲波作用的不均勻，這是超聲波清洗中常出現(xiàn)的問題。

4.空穴作用造成的清洗對象的損傷

前面曾介紹鋁箔在空穴強烈作用下出現(xiàn)黑點以及坑洼不平的孔洞，說明空穴作用有可能使清洗對象損傷，性能變得脆弱。

另外在用超聲波處理銳利的刀具的刀刃，電子設(shè)備上用的極薄的金屬片時，由于空穴作用造成破損的事情是經(jīng)常發(fā)生的，而且是頻率越低的超聲波空穴作用強度越大。因此在用超聲波清洗時，對清洗對象的形狀，材料的性質(zhì)都要考慮到。只有選擇適當(dāng)?shù)某暡l率，采用適當(dāng)?shù)氖褂梅椒ú拍苋〉煤玫那逑葱Ч?/span>

超聲波清洗的效果

1.與手工清洗相比，超聲波清洗效益顯著

（1）清洗效果優(yōu)于其他清洗手段。經(jīng)驗指出，超聲清洗清潔度取決于清洗工藝、清洗介質(zhì)和清洗機三大要素，這些要素對清潔度的貢獻率依次為30%、30%和40%，這也是“設(shè)備體現(xiàn)工藝，工藝造就精品”的一種約定俗成。如若超聲清洗效果為100%，則刷洗、蒸汽清洗、溶劑壓力清洗和浸泡分別為90%，35%，30%和15%。因此，如何篩選一種操作方便、使用安全、清洗效果好的先進清洗手段是廣大客戶的共同心愿，超聲清洗作為首選自在情理之中。

（2）清洗效率高數(shù)倍至數(shù)十倍。如車架的清除油污及銹蝕，采用人工擦洗效率極低，且易受人為因素（情緒、體力、熟練程度、責(zé)任心等）影響而很難全部除凈，采用普通三合一浸泡30min仍不能全部去掉，而經(jīng)超聲波三合一溶液清洗僅需5min即可除盡，其質(zhì)量達到國家涂裝標(biāo)準(zhǔn)。

（3）清洗質(zhì)量高，一致性好。

（4）降低生產(chǎn)成本并節(jié)能。如某國企清洗柴油發(fā)動機積炭，由原采用汽油清洗改為超聲波清洗后，平均每臺柴油機零件花費只及原來費用的20%左右，每臺節(jié)約汽油150kg。又如，某油泵油嘴廠釆用超聲清洗后每年節(jié)約120#汽油達100t之多。再如，原航空部某大型國企清洗空調(diào)冷凝器長期沿用三氯乙烯等有機溶劑，僅2002年耗量100t，價值人民幣73萬元。該廠在近期技改中上了一條超聲波清洗線，總投資73萬元。也就是說該項目技改費用可從所節(jié)約的費用中得到補償，它充分體現(xiàn)了推廣超聲波清洗技術(shù)的良好經(jīng)濟效益。

（5）改善工人勞動條件。

2.環(huán)境效益

環(huán)保是四大國策之一。據(jù)統(tǒng)計，1m3污水直排平均污染近20m3清水，比例高達1：20。

人們對環(huán)境的任何破壞必然會以更大的損失作為代價，這是事物發(fā)展的普遍規(guī)律。超聲波清洗釆用非ODS清洗劑，環(huán)境綠色性好，即使對除銹作業(yè)也只用草酸或磷酸等弱酸，不用強酸，故可避免嚴(yán)重的環(huán)境污染，維護生態(tài)環(huán)境，良好體現(xiàn)健康持續(xù)發(fā)展理念。也就是說超聲波清洗技術(shù)是環(huán)境可以接受的技術(shù)，是環(huán)境友善技術(shù)。

3.超聲波除銹的綜合經(jīng)濟效益

通常，超聲波除銹的一次性投入較大，但溶液排放易符合國家標(biāo)準(zhǔn)，故可減少常規(guī)酸洗除銹所需環(huán)保設(shè)施費用和處理場地面積，同時對廠房及周圍設(shè)備的腐蝕甚微，這是常規(guī)酸洗工藝所不能比擬的。據(jù)初步統(tǒng)計，超聲除銹的設(shè)計運行成本并不比酸洗高，因而超聲除銹的綜合效益比酸洗除銹要好。

綜上所述，可以認(rèn)為，隨著客戶對超聲波清洗方法認(rèn)識的深化，并在使用中體會到它優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點而幫助制造廠宣傳造勢，這有助于超聲清洗這一現(xiàn)代工業(yè)中的先進物理清洗手段獲得廣泛的普及和應(yīng)用。

超聲波清洗的應(yīng)用前景

超聲波清洗是近幾十年興起的新事物。隨著人們對超聲波研究的不斷深入，應(yīng)用也日益廣泛，不僅應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，也開始應(yīng)用在家庭日常生活中，如超聲波洗衣機、洗碗機已經(jīng)面市。在化學(xué)實驗室中也使用超聲波清洗器去除玻璃儀器內(nèi)壁沾染的污垢。有研究表明，鋼鐵零件以及汽車外殼在噴涂之前，如果先進行一次超聲波處理，不僅可以使噴涂效果更鮮艷美觀，也提高了它的外觀質(zhì)量。相信超聲波清洗前景將是十分美好的。