超声波清洗技术及其研究进展

超声波清洗技术及其研究进展

发表时间：2019-02-18T17:13:32.177Z 来源：《科技新时代》2018年12期作者：肖倩琪

[导读] 超声波清洗是利用超声波进行清洗的技术，其在工业和科技中的应用已有几十年的历史，超声波广泛应用于各个领域。

株洲市一中湖南株洲 412000

摘要：本文综述了超声波清洗技术的研究进展，重点分析了超声波清洗的基本理论和影响因素。超声波清洗技术在工业和生活方面有许多优缺点，比如清洁度高，效率高，自动化等，但是超声波空化清洗在工业上会产生腐蚀而导致金属的损害。超声波清洗技术给生活以及工业带来了诸多帮助，比如现代的全自动超声波洗衣机对物品的清洁度达到最高，且可连续自动性操作等，虽超声波清洗技术有缺点但在未来这一问题终将解决。

关键词:超声波、空气现象、换能器

1、引言

超声波清洗是利用超声波进行清洗的技术，其在工业和科技中的应用已有几十年的历史，超声波广泛应用于各个领域。[1,2]人们通过对其研究不断改善，不断深化，出现了重要的现象---超声波的空气现象以及相关应用最为重要的部件---换能器。随着时代的发展，超声波清洗技术的特点更加显著，人们在工业、医学、生活中广泛应用。在工业中，探伤（大型零部件结构的探伤），焊接（主要应用于塑料件）等应用，并有相关的环境保护。在医学上，超声波清洗技术可以应用在手术中，提高手术的效率。本文主要综述超声波清洗技术的基本理论，影响因素，并介绍了超声波清洗技术的应用研究。

超声波是频率高于20 kHz的声波，已超出人类听觉频率范围，其性能更有优势，如方向性好、功率大、穿透力强。超声波在清洗过程中可以是气泡破裂，从而产生很大的能量来改变材料状态或性能。超声波基本原理是在清洗液气泡破裂产生波能破坏不溶性的污物，使污物脱落到溶液中，其频繁的震动可加速搅拌、扩散，使可溶性物质加速溶解，进一步达到清洗的作用。

研究表明，在超声波清洗技术中，空化作用是最重要的作用。超声空化是指存在于液体中的微小气泡（空化核）在超声场的作用下振动、生长并不断聚集声场能量，当能量达到某个阈值时，空化气泡急剧崩溃闭合的过程。空化气泡的寿命约0.1 μs，它在急剧崩溃时可释放出巨大的能量，并产生速度约为110 m/s、有强大冲击力的微射流，使碰撞密度高达1.5 kg/cm2。对于超声波空化来说：当超声波能量足够高时，就会产生超声波空化现象。即指存在于液体中的微气核空化泡在超声波的作用下振动生长并不断聚集产生能量，当能量达到某个阈值时，空化气泡急剧崩溃的动力学过程。空化是超声波清洗技术的最基本的清洁效应。

图1空化气泡形成示意图[2]

图1是空化气泡的形成，长大（生长）和剧烈崩溃的三个阶段，在气泡被压缩直至崩溃的一瞬间会产生巨大的瞬时压力，一般可高达十几兆帕至上百兆帕，这种瞬时压力可使在液体中固体表面受到急剧的破坏，可用于化学领域中，加速反应物和产物的扩散，更进一步清洗，从而达到超声波清洗的效能。

近几年超声波的应用越来越广泛，超声波清洗技术用于工业和生活上，其清洗过程包含力学，热学，化学等效应。在工业上，超声波清洗技术有很多有益之处：第一、利用空化产生的激波打击作用或气泡局部高温作用，进行超声波清洗利用声波复杂构造异形的孔道，借助超声波空化能对放在洗涤剂中的机件微型机件清洗。第二、利用空化对药剂生产过程进行乳化，在工业上制备油-水之类混合溶液的乳剂。最后，进行超声焊接（破坏金属表面氧层，促金属焊接）。除此之外，超声波的空化作用还用于生活中，如超声波利用高频率的震动所造的用于清洗镜片等的机械。虽超声波清洗技术的应用面很广泛，但是深层面的超声波清洗技术依然有代研究，如今人们依旧不断地研究深层面的超声波清洗技术。

2.超声波清洗技术的影响因素

目前，有关超声波清洗技术的研究已经有很多，人们对于超声波清洗的影响研究也很广泛。[3] 以SB-3200DTN超声波清洗机为例，其性能特点：

■数显设定超声清洗时间

■工作时间倒计时显示

■实时显示清洗槽内实际温度

■室温-80℃的温度设定范围

■1-99分钟总工作时间设定

主要技术参数：

内槽尺寸：300 155 150mm

容量：6L

工作频率：40KHz

超声功率：180W

加热功率：400W

温度可调：室温-80℃

由超声波清洗机的技术参数可知，超声波清洗技术影响因素有清洗介质，清洗频率，清洗温度，功率密度等，其中将分析清洗介质，清洗频率和清洗温度来综述超声波的影响因素。

1、清洗介质：在超声波清洗中，一般有两种清洗剂：一为化学溶剂，二为水基清洗剂。化学溶剂一般用于化学中，如加速反应物与产物的扩散，而水基清洗剂可用于生活中，如全自动超声波清洗机会用到。清洗介质的化学作用可以加速超声波清洗效果，超声波清洗是物理作用，两种作用相结合，依对物件进行充分彻底的清洗。由此发现清洗介质对超声波有很大影响，若使用清洗介质将会提高超声波的清洗效率。在超声波清洗机中，只要确保清洗机内部工件接触到清洗液清洗死角的功效，且保证了工业上的环保。

2、清洗频率：频率高则超声波方向性强，适合于精细的物件清洗。在超声波空化现象中，若超声波频率越低，在液体中产生空化越容

易，也就相当于要引超空化，则频率就要越高，所需的声波能量越大，如要在水中产生空化，超声波频率在400 KHZ周围，所需的功率要比在10 KHZ的大10倍，所以说空化是随着频率的升高而升高，一般采用的范围20-40 KHZ。在图上的SB-3200DTN超声波清洗机中有确切的工作频率，设为40 KHZ，正好在一般范围中，这有利于超声波的清洗。假想下，如果增加频率，那震动速率加快，是否清洗将加快，效率更高尼。

3、清洗温度：通常来说，50-60时的温度，超声波的清洗是最好的。清洗剂如同频率，越高越好，作用也就越显著。高温还有可能导致清洗失效，通常超声波在超过85时，清洗效果会变差，所以实际应用中超声波清洗采用的工作温度在50-75.对于超声波的空化现象，液体的温度越高，对空化的产生越有利，但其温度过高时，气泡中蒸汽压也就越高，与此同时气泡闭合是增强了缓冲作用而使空化降低，所以来说，对于清洗温度保持在最适的范围内，对超声波的清洗也就有利。

3.超声波清洗技术的应用

超声波清洗在日常生活和工业中有着广泛的应用，比如工业器件的全自动超声波清洗机，膜清洗和丝织品清洗等领域，通过介绍全自动超声波清洗机以及膜清洗更进一步指出超声波的清洗技术[3,4]。其原理主要是利用换能器(能量转换器，为超声波的一个重要器件)，将功率超声频源的声能转换成机械振动，通过清洗槽壁使之将槽子中的清洗液辐射到超声波。其中还有运用到空化作用，利用空化气泡崩溃时所产生的冲击来达到清洗和冲刷工作，内外表面的作用。在工业上膜清洗，是预防膜污染和恢复被污染膜性能的有效方法，其物理法是顺冲即在操作时用低压冲去各面死角的污物，有着很重要的清洗功能例如反渗透膜清洗，生活中，全自动超声波清洗机已应用于机械行业，进行全封闭或半封闭式的清洗。目前，超声波清洗的研究在不断扩大，应用随之扩大，在生活也呈有利的一面（但也存在弊端的地方）。

4.总结与展望

本文主要分析了超声波清洗技术的主要理论。比如空化作用，并简要阐述了清洗技术中的影响因素。具体的是，适当选择超声波清洗技术过程中的清洗频率、清洗温度以及清洗试剂，可以使清洗效率达到最强。超声波清洗技术使用面十分广，对其研究不断扩大，也已有了对超声波的基本理论的理解，以及其清洗度高，节能的优点，超声波清洗技术在生活工业上已成为必不可缺的一门技术。但超声波清洗技术的缺点还未完全解决。空化所造成的金属损坏（腐蚀），望能通过控制清洗时间，温度和针对性清洗来解决金属损坏的问题。在未来若能将这一问题解决，超声波清洗技术将有更大的用处。创新超声波清洗技术有望在工业和医学控制超声波的频率来控制震动。可用于人体的胆结石疾病，隔空来击碎胆结石。发明超声波清洗技术的小机械安放在下水道中，便于清洁、防臭。通过文章得出超声波清洗技术已融入生活和工业中。在生活中有全自动超声波清洗机对机械的清洗，在工业中有焊接金属等。由此观之，超声波清洗技术已成为必不可缺的一门技术。超声波的效率大，全自动，清洁度高的优点也成为研究人员进行研发的方向。参考文献

[1] 李雅莉, 超声波清洗的原理和实际应用[J], 清洗世界, 2006, 22(7): 31-35.

[2] 王家宝,超声波清洗工艺的原理及应用[J],柴油机设计与制造, 2006, 4, 36.

[3] 李晓东,刘传绍,超声波清洗技术的研究与应用现状[J],清洗世界,2009,14,20.

[4] R. T. Knapp, J. W. Daily and F. G. Hammitt, Cavitation[D], McGraw-Hill, New York, 1970.