超聲波清洗機(jī)是如何工作的？

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/黃山明）在我們清洗眼鏡時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到一些問(wèn)題，比如無(wú)法有效清洗上面的油漬，角落中的污垢也很難被清洗干凈。而使用超聲波清洗機(jī)，不僅能夠方便的對(duì)眼鏡、飾品等小物件進(jìn)行清洗，并且可以進(jìn)行全方位徹底的清潔，但超聲波清洗機(jī)是如何工作的呢？

超聲波清洗機(jī)的發(fā)展歷史

超聲波清洗機(jī)的發(fā)展歷史可以追溯到20世紀(jì)初，自1880年居里兄弟發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)以來(lái)，壓電學(xué)成為現(xiàn)代科學(xué)與技術(shù)的一個(gè)重要領(lǐng)域。然而，壓電換能器最早應(yīng)用于工程是僅作為濾波器件的石英晶體諧振器，而壓電效應(yīng)在工程中應(yīng)用也只局限于水聲和電聲器件。

在第一次世界大戰(zhàn)期間，法國(guó)著名物理學(xué)家保羅·朗之萬(wàn)發(fā)明了“鋼-石英-鋼”結(jié)構(gòu)的夾心壓電換能器，并成功地在水中進(jìn)行了發(fā)射和接收超聲波的實(shí)驗(yàn)，這是人類(lèi)首次對(duì)超聲波技術(shù)的應(yīng)用展開(kāi)研究。

然而，真正的超聲波清洗技術(shù)研究始于20世紀(jì)50年代，當(dāng)時(shí)H.B.Miller對(duì)換能器做出了巨大改進(jìn)，發(fā)展了加預(yù)應(yīng)力的復(fù)合換能器，為功率超聲波技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。在這一時(shí)期，超聲波清洗技術(shù)主要應(yīng)用于電子、光學(xué)和醫(yī)藥等領(lǐng)域。由于其強(qiáng)大的實(shí)用性和廣泛的應(yīng)用范圍，從大型機(jī)械零部件到小型半導(dǎo)體器件等的清洗，久而久之被俗稱(chēng)為“無(wú)刷清洗”。

然而，此技術(shù)的廣泛應(yīng)用并非一帆風(fēng)順。盡管超聲波清洗機(jī)已經(jīng)有了30多年的歷史，日本在25年前就開(kāi)始使用，但一個(gè)誤解一直困擾著這項(xiàng)技術(shù)，使人們懷疑超聲波清洗器的效果。

傳統(tǒng)的超聲波清洗器理論認(rèn)為，氣泡起到了清洗的作用。但科學(xué)家經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，事實(shí)上，氣泡只是由超聲波的強(qiáng)力粗密波引起的單純的氣體爆發(fā)而已，它反而會(huì)抑制甚至消除超聲波清洗器的清洗力，真正發(fā)揮清洗作用的是真空的氣穴。

日本清洗工程研究會(huì)創(chuàng)始人柴野佳英在1987年公開(kāi)發(fā)表了這一超聲波清洗的基本理論，并根據(jù)這一理論研制出了技術(shù)領(lǐng)先的超聲波清洗設(shè)備。

隨著應(yīng)用范圍的擴(kuò)大和科技的進(jìn)步，超聲波清洗設(shè)備也在不斷發(fā)展和改進(jìn)。傳統(tǒng)的超聲波清洗設(shè)備由于自動(dòng)化程度不高而難以保證零件清洗的均勻性，近年來(lái)逐漸出現(xiàn)了自動(dòng)化程度高、靈活性強(qiáng)的自動(dòng)化超聲波清洗設(shè)備。

如今，超聲波清洗機(jī)更是進(jìn)一步進(jìn)入到人們的生活中來(lái)，幫助清洗一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以清理的物件。

超聲波清洗機(jī)的工作原理

工作原理上，超聲波清洗機(jī)主要是通過(guò)換能器將功率超聲頻源的聲能轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)，通過(guò)清洗槽壁將超聲波輻射到槽子中的清洗液。

由于受到超聲波的輻射，使槽內(nèi)液體中的微氣泡能夠在聲波的作用下保持振動(dòng)。這些微氣泡在破裂時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力，從而將污垢和油脂從被清洗物表面及內(nèi)部分離。

同時(shí)，超聲波在清洗液中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生正負(fù)交變的聲壓，形成射流，沖擊清洗件。并且由于非線性效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生聲流和微聲流，而超聲空化在固體和液體界面會(huì)產(chǎn)生高速的微射流，所有這些作用能夠破壞污物，除去或削弱邊界污層，增加攪拌、擴(kuò)散作用，加速可溶性污物的溶解，強(qiáng)化化學(xué)清洗劑的清洗作用。

具體而言，當(dāng)液體被利用時(shí)，將產(chǎn)生氣泡，并且當(dāng)液體被壓縮時(shí)，氣泡將被壓縮，它會(huì)被粉碎和破碎，這便發(fā)生了著名的“超聲波空化效應(yīng)”。在空化效應(yīng)中，氣泡閉合的瞬間產(chǎn)生沖擊波，使氣泡周?chē)a(chǎn)生巨大的壓力（1012-1013pa）及局部調(diào)溫，這種超聲波空化所產(chǎn)生的巨大壓力能破壞不溶性污物而使他們分化于溶液中。同時(shí)，蒸汽型空化對(duì)污垢的直接反復(fù)沖擊也有利于污漬的清除。

此外，超聲波清洗也利用了超聲波在液體中的空化作用、加速度作用及直進(jìn)流作用對(duì)液體和污物直接或間接的作用。這樣可以使污物層分散、乳化、剝離，從而達(dá)到清洗目的。

值得一提的是，超聲波清洗機(jī)中的換能器起著至關(guān)重要的作用，它是一種能量轉(zhuǎn)換器件。它的主要功能是將輸入的電功率轉(zhuǎn)換成機(jī)械功率（即超聲波）再傳遞出去，而自身消耗掉的功率很少（小于10%）。

具體來(lái)說(shuō)，換能器將功率超聲頻源的聲能轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)，通過(guò)清洗槽壁將超聲波輻射到槽子中的清洗液。由于受到超聲波的輻射，使槽內(nèi)液體中的微氣泡能夠在聲波的作用下從而保持振動(dòng)。

當(dāng)使用超聲波換能器時(shí)，最需要考慮的問(wèn)題是與輸入輸出端的匹配，其次是機(jī)械安裝和配合尺寸。此外，換能器產(chǎn)生的振幅極小的高頻震動(dòng)并傳播到清洗槽中，通過(guò)機(jī)械能作用將產(chǎn)品的污物清除，提高產(chǎn)品潔凈度。

小結(jié)

超聲波清洗機(jī)通過(guò)一種被稱(chēng)為“空化效應(yīng)”的原理來(lái)清除污漬，而不是利用氣泡。未來(lái)隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場(chǎng)需求的不斷增長(zhǎng)，超聲波清洗機(jī)將會(huì)在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用，同時(shí)也會(huì)更加環(huán)保、高效和智能化。