化工儀器網(wǎng)
技術(shù)文章
超聲波的介紹與原理
閱讀：4538 發(fā)布時(shí)間：2021-11-15超聲波的波長(zhǎng)比一般聲波要短,，具有較好的方向性，而且能透過不透明物質(zhì),，這一特性已被用于超聲波探傷,、測(cè)厚、測(cè)距,、遙控和超聲成像技術(shù),。超聲成像是利用超聲波呈現(xiàn)不透明物內(nèi)部形象的技術(shù) 。把從換能器發(fā)出的超聲波經(jīng)聲透鏡聚焦在不透明試樣上,，從試樣透出的超聲波攜帶了被照部位的信息(如對(duì)聲波的反射,、吸收和散射的能力),，經(jīng)聲透鏡匯聚在壓電接收器上，所得電信號(hào)輸入放大器,，利用掃描系統(tǒng)可把不透明試樣的形象顯示在熒光屏上,。上述裝置稱為超聲顯微鏡。超聲成像技術(shù)已在醫(yī)療檢查方面獲得普遍應(yīng)用,，在微電子器件制造業(yè)中用來對(duì)大規(guī)模集成電路進(jìn)行檢查,，在材料科學(xué)中用來顯示合金中不同組分的區(qū)域和晶粒間界等。聲全息術(shù)是利用超聲波的干涉原理記錄和重現(xiàn)不透明物的立體圖像的聲成像技術(shù),，其原理與光波的全息術(shù)基本相同,，只是記錄手段不同而已(見全息術(shù))。用同一超聲信號(hào)源激勵(lì)兩個(gè)放置在液體中的換能器,，它們分別發(fā)射兩束相干的超聲波:一束透過被研究的物體后成為物波,，另一束作為參考波。物波和參考波在液面上相干疊加形成聲全息圖,，用激光束照射聲全息圖,，利用激光在聲全息圖上反射時(shí)產(chǎn)生的衍射效應(yīng)而獲得物的重現(xiàn)像，通常用攝像機(jī)和電視機(jī)作實(shí)時(shí)觀察,。
超聲波洗凈的含義
超聲波洗凈作用,，是以超過人類聽覺聲頻以上的波動(dòng)在液體中傳導(dǎo).當(dāng)音波在洗凈劑中傳播時(shí),由于音波是一種縱波，縱波推動(dòng)介質(zhì)的作用會(huì)使液體中壓力變化而產(chǎn)生無數(shù)微小真空泡,稱之為"空穴效應(yīng)",。當(dāng)汽泡受壓爆破時(shí),，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊能，可將固著在物件死角內(nèi)的污垢打散,，并增強(qiáng)洗凈的洗凈效果,，由于超聲波頻率高波長(zhǎng)短，穿透力強(qiáng),因此對(duì)有隱蔽細(xì)縫或復(fù)雜結(jié)構(gòu)的清洗物,可以達(dá)到驚人的洗凈效果
超聲波清洗是基于空化作用,，即在清洗液中無數(shù)氣泡快速形成并迅速內(nèi)爆,。由此產(chǎn)生的沖擊將浸沒在清洗液中的工件內(nèi)外表面的污物剝落下來。隨著超聲頻率的提高,，氣泡數(shù)量增加而爆破沖擊力減弱,，因此，高頻超聲特別適用于小顆粒污垢的清洗而不破環(huán)其工件表面,?？栈莸臄U(kuò)大以及爆裂(內(nèi)爆)氣泡是在液體中施加高頻(超聲頻率)、高強(qiáng)度的聲波而產(chǎn)生的,。因此,，任何超聲清洗系統(tǒng)都必須具備三個(gè)基本元件:盛放清洗液的槽、將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的換能器以及產(chǎn)生高頻電信號(hào)的超聲波發(fā)生器。
換能器和發(fā)生器
超聲清洗系統(tǒng)***重要的部分是換能器?，F(xiàn)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(chǎng)中時(shí)，它會(huì)發(fā)生變形,，這就是所謂的"壓電效應(yīng)",。相對(duì)來說，磁力換能器是用會(huì)在變化的磁場(chǎng)中發(fā)生變形的材料制成的,。無論使用何種換能器,，通基本的因素為其產(chǎn)生的空化效應(yīng)的強(qiáng)度。
超聲波和其它聲波一樣,，是一系列的壓力點(diǎn),，即一種壓縮和膨脹交替的波(如下圖示)。如果聲能足夠強(qiáng),，液體在波的膨脹階段被推開,，由此產(chǎn)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(nèi)爆,，產(chǎn)生一種非常沖擊力，特別適用于清洗,。這個(gè)過程被稱做空化作用,。聲波的壓縮和膨脹從理論上分析，爆裂的空化泡會(huì)產(chǎn)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(huì)迅速向外輻射,。單個(gè)空化泡所釋放的能量很小，但每秒鐘內(nèi)有幾百萬(wàn)的空化泡同時(shí)爆裂,，累計(jì)起來的效果將是非常強(qiáng)烈的,，產(chǎn)生的強(qiáng)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(diǎn),。 如果超聲能量足夠大,，空化現(xiàn)象會(huì)在清洗液各處產(chǎn)生，所以超聲波能夠有效清洗微小的裂縫和孔,?？栈饔靡泊龠M(jìn)了化學(xué)反應(yīng)并加速了表面膜的溶解。然而只有在某區(qū)域的液體壓力低于該氣泡內(nèi)氣體壓力時(shí)才會(huì)在該區(qū)域產(chǎn)生空化現(xiàn)象,，故由換能器產(chǎn)生的超聲波振幅足夠大時(shí)才能滿足這一條件,。產(chǎn)生空化所需的小功率被稱做空化臨界點(diǎn)。不同的液體存在不同的空化臨界點(diǎn)，故超聲波能量必須超過該臨界點(diǎn)才能達(dá)到清洗效果,。也就是說,，只有能量超過臨界點(diǎn)才能產(chǎn)生空化泡，以便進(jìn)行超聲清洗,。
頻率的重要性
當(dāng)工作頻率很低(在人的聽覺范圍內(nèi))就會(huì)產(chǎn)生噪音,。當(dāng)頻率低于20kHz時(shí)，工作噪音不僅變得很大,，而且可能超出職業(yè)安全與保健法或其他條例所規(guī)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(yīng)用中，通常選擇從20kHz到30kHz范圍內(nèi)的較低清洗頻率,。該頻率范圍內(nèi)的清洗頻率常常被用于清洗大型,、重型零件或高密度材料的工件。潔康公司 提供20KHz的磁力換能器和25KHz的壓電換能器Cavitation Strength Relative to 40 kHz 高頻通常被用于清洗較小,、較的零件,，或清除微小顆粒。高頻還被用于被工件表面不允許損傷的應(yīng)用,。使用高頻可從幾個(gè)方面改善清洗性能,。隨著頻率的增加，空化泡的數(shù)量呈線形增加,，從而產(chǎn)生更多更密集的沖擊波使其能進(jìn)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(yīng)減少,，這樣有效地減小了對(duì)工件表面的損傷。高頻的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于減小了粘滯邊界層(泊努里效應(yīng)),，使得超聲波能夠&＃39;發(fā)現(xiàn)&＃39;極細(xì)小的微粒,。這種情況近似于小溪中水位降低時(shí)可以看清溪底的小石子。潔康公司提供了一系列中間頻率的產(chǎn)品,，有40kHz,、80kHz、120kHz和170kHz,。清洗極微小的顆粒時(shí),，可選用頻率為350kHz的產(chǎn)品。潔康公司近來推出了用于此類場(chǎng)合的MicroCoustics系統(tǒng),，其頻率為400kHz,。