選自《洗凈技術》

林仲茂 (中國科學院聲學研究所，北京，100080)

摘要本文討論超聲換能器的結構及在清洗槽中的排列和粘結對超聲清洗機質量的影響， 同時 討論了影響超聲清洗效果的一些因素。

關鍵詞超聲波換能器 清洗效果 清洗機．超聲波清洗機的質量

超聲清洗設備根據清洗對象和生產規模的要求， 其組成和結構差別很大，可以是復雜、龐大的設備，也 可以是非常簡單的結構。這里著重探討由超聲頻電源、 換能器和清洗槽組成超聲波清洗設備的核心部分的質量問題 。

1．1超聲換能器結構的選擇

在低超聲頻段(20—100KHz)，目前工業上絕大多數是采用單螺釘夾緊的夾心式壓電換能器(復合換能器)，結構上的差別主要在于輻射體(與不銹鋼板粘接的鋁塊)的形狀，一種是錐體喇叭；另一種直棒形狀。如圖1a和1b所示。

喇叭狀換能器的聲輻射效率比棒狀換能器高，即同樣的輸入電功率．在清洗槽中得到較大的聲功率，而消耗在換能器上的電功率較少，因而換能器的發熱也低．
當輸入換能器的電功率相同時， 由于喇叭輻射面的面積比棒狀換能器大，所以輻射面的聲強較低，與其粘結的不銹鋼板表面空化腐蝕小。清洗槽(或浸入式換能器）的壽命延長。所以在一般情況下采用喇叭狀換能器
較好，為進一步提高聲輻射效率、展寬頻帶，我國研制 出一種半穿孔結構的寬頻帶超聲清洗換能器”，如 圖2所示

這種換能器尤其在較高頻段{40KHz以上)，其優點更為突出． 因為它可以削弱橫向振動所帶來的不良影 響由于頻帶較寬，也有利于掃頻清洗．

在某些場合，例如清洗較深螺孔時．宜采用高輻射聲強的換能器，此時換能器的輻射體常具有尖削聚焦形狀，以提高輻射面的聲強。這種換能器一般不是粘結在清洗槽上，而是直接插入液體中進行清洗。

1 2換能器在清洗槽中的分布及粘結問題

目前有些超聲清洗機商品，粘在清洗槽底或壁上的換能器分布過密，一個緊挨一個的排列．輸入換能器的電功率強度達到每平方厘米2-3瓦，這樣高的強度一方面會加快不銹鋼板表面(與清洗液接觸的表面)的 空化腐蝕，縮短使用壽命，另一方面由于聲強過高。會 在鋼板表面附近產生大量較大的氣泡，增加聲傳播損，在遠離換能器的地方削弱清洗作用。一般選用功率 強度每平方厘米低于1.5瓦為宜(按粘有換能器的鋼板面積計算)。如果清洗槽較深， 除槽底粘有換能器外， 在槽壁上也應考慮粘結換能器。
換能器與清洗槽的粘結質量對超聲清洗機整機的質量影響很大．不但要粘牢，而且要求膠層均勻、不缺膠和不允許有裂縫，使超聲能量最大限度地向清洗液中傳輸，以提高整機效率和清洗效果。目前有些清洗設備為避免換能器從清洗槽上掉下來。采取螺釘加粘膠的固定 方式，這種連接方式雖然換能器不會掉下來，但是存在許多隱患。如果螺釘焊接質量差，例如不垂直于不銹鋼板表面，則膠層不均勻，甚至有裂痕或缺膠，能量傳輸會削弱；另一方面．如果焊接不好也會影響不銹鋼表面的平整，導致加速空化腐蝕，縮短使用壽命．
判斷粘結質量的方法之一，是在清洗槽裝水并開機工作一段時間后，測量換能器的溫升。如果在眾多的換能器中某個換能器溫升特別快，則表明該換能器可能粘結不好．因為此時聲輻射不好，電能量大部分消耗在換能器上而發熱。另一個方法是在小信號條件下逐個測量 換能器的電阻抗大小來判別粘結質量。

目前在超聲波清洗機的性能方面還存在一些模糊的認識：認為功率越大，換能器數目越多．其性能越好，價值越高，甚至以此論價．這種認識是不全面的． 如上述，換能器布得過密，功率密度過大，不但清洗效果不好，而且槽底易空化腐蝕．另一方面， 目前超聲 波清洗機商品所標的功率大多是電功率而不是聲功率，如果所標是指消耗工頻功率，則超聲波清洗機質量的優劣應該由效率來判斷。如果效率低，在同樣清洗效果時則耗電大，反而增加了用戶的費用。超聲清洗機的效率包括兩部分．一是超聲頻電源的效率．即輸入換能器的 高頻電功率與消耗工頻電功率之百分比；另一部分是電聲轉換效率，即進入清洗液中的聲功率與輸入換能器的電功率之百分比．目前我國在工業生產中還沒有一種簡便的方法和設備來測量電聲轉換效率。各廠家所標的超聲波清洗機的功率是含糊不清的，亟需有行業的統一標準．

2．影響超聲清洗效果的因素

超聲清洗的主要機理是超聲空化作用．超聲空化的強弱與聲學參數、清洗液的物理化學性質及環境條件有關，所以要得到良好的清洗效果 必須選擇適當的聲學參數和清洗液。
2 1聲強或聲壓的選擇
在清洗液中只有交變聲壓幅值超過液體的靜壓力時才會出現負壓。 而負壓要超過液體的強度才能產生空化。使液體產生空化的最低聲強或聲壓幅值稱為空化閾。各種液體具有不同的空化閾值，在超聲清洗槽中的聲強要高于空化閾值才能產生超聲空化。對于一般液體，空化閾值約為每平方厘米1／3瓦(聲壓的千方正比于聲強)．聲強增加時，空化泡的最大半徑與起始半徑的比值增大，空化強度增大， 即聲強愈高，空化愈強烈．有利于清洗作用。但不是聲功率越大越好，聲強過高．會產生大量無用的氣泡，增加散射衰減，形成聲屏障，同時聲強增大也會增加非線性衰減，這樣都會削弱遠離聲源地方的清洗效果。對于一些難清洗干凈的污物，例如金屬表面的氧化物，化纖噴絲板孔中污物的清洗，則需要采用較高的聲強．此時被清洗面應貼近聲源，這時大多不采用槽式清洗器．而用棒狀聚焦式換能器直接插入清洗液靠近清洗件的表面進行清洗．

2 2頻率的選擇

超聲空化閾值和超聲波的頻率有密切關系．頻率越高，空化閾越高，換句話說，頻率越高，在液體中要產生空化所需要的聲強或聲功率也越大；頻率低，空化容易產生，同時在低頻情況下，液體受到的壓縮和稀疏作用有更長的時間間隔．使氣泡在崩潰前能生長到較大的尺寸，增高空化強度，有利于清洗作用．目前超聲波清洗機的工作頻率根據清洗對象，大致分為三個頻段；低頻超聲清洗(20一50KHz)， 高頻超聲清洗(50—200KHz)和兆赫超聲清洗(700KHz一1MHz以上)．低頻超聲清洗適用于大部件表面或者污物和清洗件表面結合強度高的場合。頻率的低端，空化強度高。易腐蝕清洗件表面，不適宜清洗表面光潔度高的部件，而且空化噪聲大．40KHz左右的頻率，在相同聲強下，產生的空化泡數量比頻率為20KHz時多，穿透力較強，宜清洗表面形狀復雜或有盲孔的工件，空化噪聲較小．但空化強度較低，適合清洗污物與被清洗件表面結合力較弱的場合，高頻超聲清洗適用于計算機。微電子元件的精細清洗，如磁盤、驅動器，讀寫頭，液晶玻璃及平面顯示器，微組件和拋光金屬件等的清洗．這些清洗對象要求在清洗過程中不能受到空化腐蝕．要能洗掉微米級的污物。兆赫超聲清洗適用于集成電路芯片、硅片及簿膜等的清洗。能去除微米、亞微米級的污物而對清洗件沒有任何損傷。因為此時不產生空化．其清洗機理主要是聲壓梯度．粒子速度和聲流的作用．特點是清洗方向性強，被清洗件一般置于與聲束平行的方向．

2.3清洗液的物理化學性質對清洗效果的影響

清洗劑的選擇要從兩個方面來考慮：一方面要從 污物的性質來選擇化學作用效果好的清洗劑；另一方 面要選擇表面張力、蒸氣壓及枯度合適的清洗劑，因 為這些特性與超聲空化強弱有關。液體的表面張力大則 不容易產生空化，但是當聲強超過空化閾值時，空化 泡崩潰釋放的能量也大，有利于清洗．高蒸氣壓的液 體會降低空化強度，而液體的粘滯度大也不容易產生 空化．因此蒸氣壓高和粘度大的潔洗劑都不利于超聲 清洗． 此外，清洗液的溫度和靜壓力都對清洗效果有影 響，清洗液溫度升高時．空化核增加，對空化的產生有 利，但是溫度過高，氣泡中的蒸氣壓增大．空化強度 會降低，所以溫度的選擇要同時考慮對空化強度的影 響，也耍考慮清洗液的化學清洗作用每一種液體都有 一空化活躍的溫度，水較適宜的溫度是60~C，此時空化 最活躍。
清洗液的靜壓力大時，不容易產生空化，所以在密 閉加壓容器中進行超聲清洗或處理時效果較差。

2．4影響超聲清洗效果的其它因素

清洗液的流動速度對超聲清洗效果也有很大影響。
最好是在清洗過程中液體靜止不流動．這時泡的生長和閉合運動能夠充分完成．如果清洗液的流速過快，則有些空化核會被流動的液體帶走有些空化核則在沒有達到生長閉合運動整過程時就離開聲場，因而使總的空化 強度降低。在實際清洗過程中有時為避免污物重新粘附在清洗件上．清洗液需要不斷流動更新，此時應注意清洗液的流動速度不能過快，以免降低清洗效果。

被清洗件的聲學特性和在清洗槽中的排列對清洗效果也有較大的影響．吸聲大的清洗件，如橡膠，布料等清洗效果差，而對聲反射強的清洗件，如金屬件，玻璃制品的清洗效果好。清洗件面積小的一面應朝聲源排放，排列要有一定的間距．清洗件不能直接放在清洗槽底部．尤其是較重的清洗件．以免影槽底板的振動，也避免清洗件擦傷底板而加速空化腐蝕。清洗件最好是懸掛在槽中，或用金屬羅筐盛好懸掛．但須注意要用金屬絲做成．并盡可能用細絲做咸空格較大的筐， 以減少聲的吸收和屏蔽。

清洗液中氣體的含量對超聲波清洗效果也有影響。在清洗液中如果有殘存氣體(非空化核)會增加聲傳播損失，此外在空化泡運動過程中擴散到泡中的氣體，在空化泡崩潰時會降低沖擊波強度而削弱清洗作用。因此有些超聲清洗設備具有除氣功能，在開機時先進行低于 空化閾值的功率水平作振動，以脈沖或間歇方式振動進行除氣．然后功率加到正常清洗的功率水平進行超聲清洗；有些超聲清洗設備附有抽氣裝置{所謂真空脫氣)，其目的同樣是減少清洗液中的殘存氣體．

駐波的影響。 清洗槽是有限空間，超聲波由聲源向液面傳播時。在液體和氣體的交界面會反射回來而形成駐波．駐波的特征是在液體空間的某些地方聲壓最小，而在另外一些地方聲壓最大．這樣會造成清洗不均勻的現象。要減少駐波的影響，有時清洗槽特意做成 不規則的形狀以避免駐波的形成．有時在超聲電源方面采取掃頻的工方式，使聲壓最小處不固定在一個地方而是不斷地移動．以達到較均勻的清洗。

參考文獻
1侯立琪，林仲茂。應崇福。半穿孔結構寬頻帶夾心換能器的理論分析．聲學學報，1979，4，271—278．
[2l林仲茂．方啟平．超聲波清洗(3），化學清洗。1998。14 {6)44~46
[3]沈建中超聲清洗技術及其應用．洗凈技術．2003(1) 16—20