超声波清洗介绍

人的耳朵只能感受到振荡频率在20〜20000Hz范围的声波，把超过人耳能感受到的声波频率以上的声波叫超声波。

超声波有许多实际应用。超声清洗是大功率超声最主要的应用手段之一。它是一项应用最广泛的功率超声方法和应用技术。将被清洗的物体浸入盛有清洗液的清洗槽中，并且向清洗液中导入强超声波，利用超声波的能量来实现清洗，这就是超声清洗。超声清洗是清除物体表面异物和污垢最有效的方法，其清洗效率高、质量好。具有许多其他清洗方法所不能替代的优点，而且能够高效率地清洗物体的外表面和内表面。超声清洗不仅清洗的污物种类广泛，包括尘埃、油污等普通污染物和研磨膏类带放射性的特种污染物，而且清洗速度快，清洗后污垢的残留物比其他清洗方法的要少很多。超声清洗还可以清洗复杂零件以及深孔、盲孔、狭缝中的污物，并且对物体表面没有伤害或只引起轻微损伤，对环境的污染小，成本相对来说不高，而且对操作人员没有损害。

目前，超声清洗已经成为许多生产加工企业不可或缺的一道工序。它的应用范围包括机械、电子、材料、化工、纺织、航空、核能、石油、医药、食品等工业部门以及农业、环保、科学研究、日常生活等领域。现在，超声清洗技术还在不断发展，并在此基础上形成了一个新兴产业。

毫无疑问，了解超声波清洗的原理、方法和技术，对于人们选取适当的超声清洗设备和技术、研究开发新颖的超声清洗技术和装置、寻找合适的清洗剂，以获得最佳的清洗效果，是十分有益的。

超声波清洗装置

超声波的清洗装置示意图如图4-21所示。

图4-21超声波清洗装置示意图

由图可见，由电磁振荡器产生的单频率简谐电信号（电磁波）通过超声波发生器把电磁波转化为同频率的超声波，通过清洗槽中的媒液把超声波传递到清洗对象。超声波发生器通常固定在清洗槽的下部，有时也可以装在清洗槽的侧面。在用超声波清洗大的缸体内表面时，可釆用可移动的超声波发生器装置。

在图4-22中可以看到超声波发生器有安装在清洗槽底部的，连接在清洗槽底外部的，也有连在清洗槽外部通过振动棒伸入槽中的。被清洗的小件物体可被装在吊篮中固定在一定的位置上，也可以上下移动或转动。超声波清洗箱通常用不锈钢制成。

图4-22超声波清洗装置

超声波的清洗作用原理

超声波清洗的主要机理是：利用超声波在媒介流体中产生的空穴在破裂时释放的能•量来清除污垢。即通过换能器传播声能，声能产生压力梯度，压力梯度会导致媒介液体交替发生压缩和膨胀。当压力增大时，生成空穴气泡。当气泡长大到某一尺寸后就会破裂，因为此时它已不能抗衡周围液体的压力和重力。空穴爆裂时会产生微观水平的剧烈冲击波，科研人员已经计算出理论上的局部温度会高达摄氏几千度，理论局部压力会高达几百个大气压。

超声波作用包括超声波本身具有的能量作用，空穴破坏时放出的能量作用以及超声波对媒液的搅拌流动作用等。

1.超声波的能量作用

超声波具有很高的能量，它在传媒液体中传播时，把能量传递给传媒质点，传媒质点再将能量传递到清洗对象物表面并造成污垢解离分散。声波是一种纵波，即传媒质点的振动方向与波的传播方向一致。在纵波传播过程中，传媒质点运动造成质点分布不匀，出现疏密不同的区域，在质点分布稀疏区域声波形成负声压，在分布致密区域声波形成正声压，并形成负声压、正声压的交替连续变化，这种变化不仅使传媒质点获得一定动能而且获得一定加速度。加速度振幅（αm）大小符合下列公式：

公式：

式中：αm为加速度振幅；ρ为媒质密度；c为声波在媒质中的传播速度；对于水，ρc等于1.46×10⁶Kg•m-²s-¹；f为超声波频率；I为超声波强度或输出的功率密度（W・cm-²），即单位时间内通过垂直于声波传播方向的单位面积的声波能量。超声波传递给传媒质点的能量是与超声波频率和输出功率密度成正比的。我们知道在相距半波长的两点处，振动周相相反，即一点的加速度达到极大值时，另一点就达到负的加速度极大值。对于半波长为1mm的高频超声波，在这样小的距离中就要出现方向相反的相当于重力加速度数百万倍的加速度变化以及成千大气压的声压压强的变化，因此高频超声波的能量作用是异常巨大的。在具有能量的传媒质点与污垢粒子相互作用时，把能量传递给污垢并造成它们的解离分散。

超声波与通常声波一样在媒液中传播是直线运动方式。运动速度与媒液有关，在不同媒液中传播速度不同，如在空气中为340m•s-¹，在纯水中1430m•s-¹。不同频率的声波，具有不同波长（λ），波长乘以频率（γ）等于波速（c）即c=λγ，所以频率与波长成反比关系。超声波的频率比通常的声波频率高，所以波长短，能量高。表4-7中列有在不同媒体中各种频率的声波相应的波长。

在媒体中直线前进的超声波，到达与其他物质的界面时，要发生透射和反射运动，发生透射与反射的程度是由构成界面物质的声阻抗率决定的，声阻抗率是传声媒质某一给定表面的声压与质点速度之比。各种传声媒质都有固定的声阻抗率，其数据见表4-8。

表4-7各种媒体中声波的速度与波长①

表4-8各种媒体的声限抗率

当超声波行进到声阻抗率相差很大的两种媒质的界面时，主要发生反射，而在声阻抗率相近的两种媒质的界面上主要发生透射。如当超声波行进到水一空气界面时，由于空气密度远小于水，因此声阻抗率也相差较远，所以此时声波主要发生反射；同样超声波行进到水一钢铁界面时，由于两种媒质之间声阻抗率相差很大，所以主要也发生反射。而当超声波行进到水一塑料界面时，由于两种媒质之间声阻抗率相近，所以超声波主要发生透射。图4-23表示超声波的反射和透射。

反射回来的超声波与前进中的超声波合成后，当每一点的位相差保持稳定不变时，发生共振，而在某些固定位置上相互叠加而加强，媒液在这些位置上容易产生空穴。图4-24为超声波形成的共振波。

2.空穴破坏时释放的能量作用

空穴又称气穴、空洞。由于超声波以正压和负压重复交替变化的方式向前传播，负压时在媒液中造成微小的真空洞穴，这时溶解在媒液中的气体会很快进入空穴并形成气泡；而在正压阶段，空穴气泡被绝热压缩，最后被压破，在气泡破裂的瞬间对空穴周围会形成巨大的冲击，使空穴附近的液体或固体都会受到上千个大气压的高压，放出巨大的能量。这种现象在低频率范围的超声波领域激烈地产生。当空穴突然爆破时，能把物体表面的污垢薄膜击破而达到去污的目的。图4-25显示了在超声波产生驻波的音域范围内，把一个厚为17µm的铝箔垂直插入超声波清洗器中，在空穴产生最多的带状区域（被称为最大声压带），铝箔受冲击最大，黑点显示铝箔在最大声压带受损伤的情况。

图4-23超声波的反射与透射

图4-24超声波形成的共振波

图4-25空穴造成铝箔损伤

图片P200页

当使用的超声波频率在28〜100kHz范围内时，超声波的几种作用都存在。而空穴消失过程产生的巨大压力作用十分突出。当使用的超声波频率在特高频率范围时，超声波的作用主要是其本身巨大的能量作用，并不产生空穴，但这种巨大的能量对细微污垢的去除清洗作用很大。

另外超声波不仅有帮助媒液加快溶解污垢的作用，而且也起到搅拌作用，使媒液发生运动，新鲜媒液不断作用于污垢加速溶解。所以超声波强大的冲击力如果作用发挥适当的话，可促使顽固附着的污垢解离，而且使清洗力不均匀的情况得以避免。但由于超声波使用过程中存在对清洗对象造成损伤的可能性，所以当清洗对象很脆弱的情况不宜采用超声波清洗。

3.影响产生空穴的因素

超声波清洗主要是靠空穴的作用，而产生空穴的强弱与超声波声学参数和清洗液的物理化学性质有关。为获得良好的清洗效果必须选择合适的清洗液和适当的超声波声学参数。

（1）超声波声强（或声压）在液体中只有交变声压幅值超过静压力时才出现负压，而负压要超过液体的强度才能产生空穴。使液体产生空穴的最低声强或声压幅称为空化阈，各种液体具有不同的空化阈值。

在超声波清洗槽中的声强要高于空化阈才能产生空穴。对于一般液体，空化阈约为1/3W/cm²（声强与声压的平方成正比），声强增加时，空化泡最大半径与起始半径的比值加大，使空化强度增大，而且空穴数量也增加，有利于清洗作用。

但并不是声强越高，清洗效果越好，当声强过高时，在声源表面会产生大量无用的气泡而形成一道声屏障，使远离声源的声波强度减弱而削弱清洗作用。所以在清洗槽中，声强一般选择在1〜2W/cm²范围。对于一些难清洗干净的污物，如对金属表面的氧化膜，化纤喷丝板孔中污物的清洗则采用较高的声强，注意此时被清洗物体表面应贴近声源。

（2）超声波的频率液体的空化阈值与超声波频率有密切关系。频率越高，空化阈也越高，即频率越高，在液体中产生空穴所需要的声强或声功率也越大。而超声波频率低时，容易产生空穴，同时在低频率情况下，液体受到的压缩与稀疏作用之间有更长的时间间隙，使气泡在崩溃前能长到较大尺寸，使崩溃时空化强度增高有利于清洗作用。因此对于质量和体积较大的清洗物体，一般选用较低频率的超声波清洗机，对于一些轻巧而容易损坏的零件清洗时则选用较高频率的超声波清洗机。另外，选择频率时还需考虑噪声的问题，频率低于20kHz时噪声大，因此超声波清洗机的频率大多选择在20~50kHz范围。

（3）清洗液的性质清洗液的表面张力、蒸气压及粘度等性质对空穴的产生有直接影响，液体表面张力大则空穴崩溃时释放的能量也大，有利于超声波清洗。水的表面张力比有机溶剂大，所以通常选用水作超声波清洗的媒体。由于蒸气压高的液体，空穴强度低，粘度大的液体的空化阈大，不易产生空穴，因此蒸气压高、粘度大的清洗液都不利于超声清洗。

洗涤媒液的选择

超声波清洗都是以一定的液体作媒质的条件下进行的，选择媒液是以能充分发挥超声波的作用达到去污目的为原则的。由于水是产生空穴效果最好的液体，通常用清水做媒液，用量不很大，也不需要采用喷射或搅拌的方法来使水剧烈流动。但由于清水对油性污垢的分散解离能力较差，因此实际上常采用表面活性剂或酸、碱水溶液作超声波清洗的媒液。

由于各种亲水性或亲油性有机溶剂产生空穴效果的能力比水差，所以如果用这些有机溶剂做媒液，实际上要靠它们对污垢的溶解分散能力作补充才能有效地去除污垢。而且有机溶剂往往存在易燃、易爆和有毒的问题，因此通常总是用水做媒液。

超声清洗在上世纪50年代末期到60年代初期开始有较大规模的工业应用。当时，所使用的超声是低功率密度的，一般只有2〜3W/cm²。为了改善清洗效果，人们从增加超声强度和寻找合适的清洗液两个方面去努力。经研究，发现应用氟里昂可以增强表面污物的溶解度，使清洗效率和清洗质量有很大提高。这个发现，促进了超声清洗的应用，但也为我们现在寻找氟里昂的替代物提出了新课题。另一方面，人们很快就加强了超声强度，实现了大振幅清洗。所使用的超声功率密度提升到12-15W/cm²，使质点的振幅达到12〜15µm。这些努力，促进了超声清洗的发展和普及，也推动了对超声清洗作用机理的深入研究。

用超声波清洗应注意的问題

在一定条件下用超声波清洗才能获得较好效果，因此需要注意以下问题。

1.了解各种因素对清洗效果的影响

（1）温度：清洗液温度对清洗效果有很大影响。清洗液温度升高时空穴数量增加，对产生空穴有利，但温度过高，气泡中蒸气压增大，空化强度会降低。各种媒液都有一空化活跃的温度，如水清洗液空化活跃温度为60°C，因此用60°C水做清洗液较适宜。

（2）压力：当清洗液压力大时不易产生空穴，所以超声波清洗都是在敞口容器中进行，在密闭扣压容器中进行时效果较差。

（3）清洗液流速：在清洗过程中清洗液最好不流动，当液体静止不动时空穴的生长和崩溃的过程能充分完成，而清洗液流速过快时有些空穴核心还没有完成生长和崩溃的全部过程就离开清洗表面使空化程度降低。有时为了避免污垢再沉积到已清洗好的表面，希望清洗液流动更新，但此时清洗液的流动速度也不能过快以免降低清洗效率。

（4）清洗液中气体含量：清洗液中如果存在非空穴核的大气泡时会对超声波的传播及空穴强度都产生不利影响，因此需要降低清洗液中气体含量。有些超声波清洗设备具有除气功能。在清洗前先进行低于空化阈的功率水平作振动，以脉冲或间歇方式振动进行除气，然后再把功率提高到正常清洗的功率水平进行超声波清洗。

（5）清洗物体声学特性：吸声大的物体如橡胶、布料等用超声波清洗效果差，而对声波反射强的材料如金属、玻璃制品清洗效果较好。

2.克服空穴产生的不均匀性

前己述及空穴是沿着最大声压带不均匀地产生的。当清洗对象在洗液中处于静置状态时就会由于空穴产生的不均匀造成清洗的不均匀现象。通常为克服这种现象的发生，常采用以下方法：

（1）移动清洗对象：当清洗对象在洗槽中移动时，空穴能较均匀地作用于清洗对象的表面。最常用的方法是让清洗对象发生旋转，当物体位于与空穴最大声压带垂直相交的平面上清洗效果比较均一。

（2）改变洗液深度：当洗槽液面上下变动时，空穴最大声压带的位置也发生相应变化可以克服不均匀性。

（3）形成矩形波形：把几种不同波长的超声波合成在一起，所产生的超声驻波，最大声压带范围扩大，可以克服不均性。

（4）防止共振波的生成：如果使液面与清洗对象表面不相互垂直，可防止在清洗对象表面发生受迫振动并形成共振波。这样，一方面可减少清洗不匀，同时也可避免清洗对象损伤。

（5）多重超声波发射：用不同波长的超声波同时产生振荡的方法。几种超声波之间相互影响，使得产生的空穴造成的不均现象得到改善。

3.克服由于超声波被反射而造成的效果不均匀性

当超声波反射发生在清洗对象内侧的表面，金属管道的内表面，金属物品深陷处的凹面以及碰到金属网做的清洗物容器时，都会妨碍超声波的透过而造成超声波作用的不均匀，这是超声波清洗中常出现的问题。

4.空穴作用造成的清洗对象的损伤

前面曾介绍铝箔在空穴强烈作用下出现黑点以及坑洼不平的孔洞，说明空穴作用有可能使清洗对象损伤，性能变得脆弱。

另外在用超声波处理锐利的刀具的刀刃，电子设备上用的极薄的金属片时，由于空穴作用造成破损的事情是经常发生的，而且是频率越低的超声波空穴作用强度越大。因此在用超声波清洗时，对清洗对象的形状，材料的性质都要考虑到。只有选择适当的超声波频率，采用适当的使用方法才能取得好的清洗效果。

超声波清洗的效果

1.与手工清洗相比，超声波清洗效益显著

（1）清洗效果优于其他清洗手段。经验指出，超声清洗清洁度取决于清洗工艺、清洗介质和清洗机三大要素，这些要素对清洁度的贡献率依次为30%、30%和40%，这也是“设备体现工艺，工艺造就精品”的一种约定俗成。如若超声清洗效果为100%，则刷洗、蒸汽清洗、溶剂压力清洗和浸泡分别为90%，35%，30%和15%。因此，如何筛选一种操作方便、使用安全、清洗效果好的先进清洗手段是广大客户的共同心愿，超声清洗作为首选自在情理之中。

（2）清洗效率高数倍至数十倍。如车架的清除油污及锈蚀，采用人工擦洗效率极低，且易受人为因素（情绪、体力、熟练程度、责任心等）影响而很难全部除净，采用普通三合一浸泡30min仍不能全部去掉，而经超声波三合一溶液清洗仅需5min即可除尽，其质量达到国家涂装标准。

（3）清洗质量高，一致性好。

（4）降低生产成本并节能。如某国企清洗柴油发动机积炭，由原采用汽油清洗改为超声波清洗后，平均每台柴油机零件花费只及原来费用的20%左右，每台节约汽油150kg。又如，某油泵油嘴厂釆用超声清洗后每年节约120#汽油达100t之多。再如，原航空部某大型国企清洗空调冷凝器长期沿用三氯乙烯等有机溶剂，仅2002年耗量100t，价值人民币73万元。该厂在近期技改中上了一条超声波清洗线，总投资73万元。也就是说该项目技改费用可从所节约的费用中得到补偿，它充分体现了推广超声波清洗技术的良好经济效益。

（5）改善工人劳动条件。

2.环境效益

环保是四大国策之一。据统计，1m³污水直排平均污染近20m³清水，比例高达1：20。

人们对环境的任何破坏必然会以更大的损失作为代价，这是事物发展的普遍规律。超声波清洗釆用非ODS清洗剂，环境绿色性好，即使对除锈作业也只用草酸或磷酸等弱酸，不用强酸，故可避免严重的环境污染，维护生态环境，良好体现健康持续发展理念。也就是说超声波清洗技术是环境可以接受的技术，是环境友善技术。

3.超声波除锈的综合经济效益

通常，超声波除锈的一次性投入较大，但溶液排放易符合国家标准，故可减少常规酸洗除锈所需环保设施费用和处理场地面积，同时对厂房及周围设备的腐蚀甚微，这是常规酸洗工艺所不能比拟的。据初步统计，超声除锈的设计运行成本并不比酸洗高，因而超声除锈的综合效益比酸洗除锈要好。

综上所述，可以认为，随着客户对超声波清洗方法认识的深化，并在使用中体会到它优质、高效、节能、环保等优点而帮助制造厂宣传造势，这有助于超声清洗这一现代工业中的先进物理清洗手段获得广泛的普及和应用。

超声波清洗的应用前景

超声波清洗是近几十年兴起的新事物。随着人们对超声波研究的不断深入，应用也日益广泛，不仅应用于工业生产中，也开始应用在家庭日常生活中，如超声波洗衣机、洗碗机已经面市。在化学实验室中也使用超声波清洗器去除玻璃仪器内壁沾染的污垢。有研究表明，钢铁零件以及汽车外壳在喷涂之前，如果先进行一次超声波处理，不仅可以使喷涂效果更鲜艳美观，也提高了它的外观质量。相信超声波清洗前景将是十分美好的。