超聲波原理

超聲波清洗是基于空化作用，即在清洗液中無數氣泡快速形成并迅速內爆。由此產生的沖擊將浸沒在清洗液中的工件內外表面的污物剝落下來。隨著超聲頻率的提高，氣泡數量增加而爆破沖擊力減弱，因此，高頻超聲特別適用於小顆粒污垢的清洗而不破環其工件表面。

氣泡是在液體中施加高頻（超聲頻率）、高強度的聲波而產生的。因此，任何超聲清洗系統都必須具備三個基本元件：盛放清洗液的槽、將電能轉化為機械能的換能器以及產生高頻電信號的超聲波發生器。

換能器和發生器

超聲清洗系統zui重要的部分是換能器。現存兩種換能器，一種是磁力換能器，由鎳或鎳合金制成；一種壓電換能器，由鋯鈦酸鉛或其他陶瓷制成。 將壓電材料放入電壓變化的電場中時，它會發生變形，這就是所謂的'壓電效應'。相對來說，磁力換能器是用會在變化的磁場中發生變形的材料制成的。

無論使用何種換能器，通常zui基本的因素為其產生的空化效應的強度。超聲波和其它聲波一樣，是一系列的壓力點，即一種壓縮和膨脹交替的波（如下圖示）。如果聲能足夠強，液體在波的膨脹階段被推開，由此產生氣泡；而在波的壓縮階段，這些氣泡就在液體中瞬間爆裂或內爆，產生一種非常有效的沖擊力，特別適用於清洗。這個過程被稱做空化作用。

• 從理論上分析，爆裂的空化泡會產生超過10,000 psi的壓力和20,000 °F (11,000 °C) 的高溫，并在其爆裂的瞬間沖擊波會迅速向外輻射。單個空化泡所釋放的能量很小，但每秒鐘內有幾百萬的空化泡同時爆裂，累計起來的效果將是非常強烈的，產生的強大的沖擊力將工件表面的污物剝落，這就是所有超聲清洗的特點。

如果超聲能量足夠大，空化現象會在清洗液各處產生，所以超聲波能夠有效清洗微小的裂縫和孔。空化作用也促進了化學反應并加速了表面膜的溶解。

然而只有在某區域的液體壓力低於該氣泡內氣體壓力時才會在該區域產生空化現象，故由換能器產生的超聲波振幅足夠大時才能滿足這一條件。產生空化所需的zui小功率被稱做空化臨界點。不同的液體存在不同的空化臨界點，故超聲波能量必須超過該臨界點才能達到清洗效果。也就是說，只有能量超過臨界點才能產生空化泡，以便進行超聲清洗。

頻率的重要性

當工作頻率很低（在人的聽覺范圍內）就會產生噪音。當頻率低於20kHz時，工作噪音不僅變得很大，而且可能超出職業安全與保健法或其他條例所規定的安全噪音的限度。在需要高功率去除污垢而不用考慮工件表面損傷的應用中，通常選擇從20kHz到30kHz范圍內的較低清洗頻率。該 頻率范圍內的清洗頻率常常被用於清洗大型、重型零件或高密度材料的工件。JTONE提供20KHz的磁力換能器和25KHz的壓電換能器。

 高頻通常被用於清洗較小、較精密的零件，或清除微小顆粒。高頻還被用於被工件表面不允許損傷的應用。使用高頻可從幾個方面改善清洗性能。隨著頻率的增加，空化泡的數量呈線形增加，從而產生更多更密集的沖擊波使其能進入到更小的縫隙中。如果功率保持不變，空化泡變小，其釋放的能量相應減少，這樣有效地減小了對工件表面的損傷。高頻的另一個優勢在於減小了粘滯邊界層（泊努里效應），使得超聲波能夠'發現'極細小的微粒。這種情況近似於小溪中水位降低時可以看清溪底的小石子。

JTONE提供了一系列中間頻率的產品，有40kHz、80kHz、120kHz和170kHz。清洗極微小的顆粒時，可選用頻率為350kHz的產品。JTONE近來推出了用於此類場合的MicroCoustics系統，其頻率為400kHz。

超聲清洗的*性

超聲清洗工藝及清洗液的選擇

在購買清洗系統之前，應對被清洗件做如下應用分析：

1. 明確被洗件的材料構成、結構和數量；
2. 分析并明確要清除的污物；
3. 決定所要使用的清洗方法，判斷應用水性清洗液還是用溶劑，zui終需做清洗實驗。

只有這樣，才能提供合適的清洗系統、設計合理的清洗工序以及清洗液。

化學藥劑的選擇

考慮到清洗液的物理特性對超聲清洗的影響，其中蒸汽壓、表面張力、黏度以及密度應為zui顯著的影響因素。溫度能影響這些因素，所以它也會影響空化作用的效率。

任何清洗系統必須使用清洗液。水性系統通常由敞口槽組成，工件浸沒其中。而復雜的系統會由多個槽組成，并配備循環過濾系統、沖淋槽、干燥槽以及其它附件。

對於使用溶劑的系統，多為超聲波汽相除油脂清洗機，常配備廢液連續回收裝置。超聲波汽相清除油脂過程是由溶劑蒸發槽和超聲浸洗槽組成的集成式多槽系統完成的。在熱的溶劑蒸汽和超聲激蕩共同作用下，油、脂、蠟以及其他溶於溶劑的污垢就被除去。經過一系列清洗工序后下料的工件發熱、潔凈、干燥。

選擇清洗液時，應考慮以下三個因素：

1. 清洗效率：選擇zui有效的清洗溶劑時，一定要作實驗。如在現有的清洗工藝中引入超聲，所使用的溶劑一般不必變更；
2. 操作簡單：所使用的液體應安全無毒、操作簡單且使用壽命長；
3. 成本：zui廉價的清洗溶劑的使用成本并不一定zui低。使用中必須考慮到溶劑的清洗效率、安全性、一定量的溶劑可清洗多少工件利用率zui高等因素。當然，所選擇的清洗溶劑必須達到清洗效果，并應與所清洗的工件材料相容。水為zui普通的清洗液，故使用水基溶液的系統操作簡便、使用成本低、應用廣泛。然而對於某些材料以及污垢等并不適用於水性溶液，那么還有許多溶劑可供選用。

清洗件處理

超聲清洗的另一個考慮因素是清洗件的上、下料或者說是放置清洗件的工裝的設計。清洗件在超聲清洗槽內時，無論清洗件還是清洗件籃都不得觸及槽底。清洗件總的橫截面積不應超過超聲槽橫截面積的70%。橡膠以及非剛化塑料會吸收超聲波能量，故將此類材料用於工裝時應謹慎。絕緣的清洗件也應引起特別注意。工裝籃設計不當，或所盛工件太重，縱使的超聲清洗系統的效率也會被大大降低。任何材料，如果網眼高於50目，對於超聲波就表現出實體的性能，將超聲波反射回去。當網眼大於1/4英寸時，對於超聲波才表現出開放式材料的性能。鉤子、架子以及燒杯都可用來支持清洗件。