精密零件清洗的理想超声参数江南娱乐app官方版下载国际

工艺工程师可使用的各种超声波参数或自由度定义了清洗工艺的最终极限。江南娱乐app官方版下载国际传统的超声波清洗系统自由度包括单中心频率(扫描)的调制，可变占空比和单频幅控制。江南娱乐app官方版下载国际所有这些变量都允许控制总体或宏观变量，如原始功率，进入流体。最新一类的水清洗技术允许所有上述参数，但在单个工艺槽的多江南娱乐app官方版下载国际个中心频率。多个中心频率允许在单个空化事件中的能量进行精确的微观调整。对参数的理解和优化可以产生最大的清洁效率和最小的基材损伤。江南娱乐app官方版下载国际与许多流行的超声波论文不同，这里的描述是完全参考的，并通过合理的物理推理得出的。这篇论文打算承担一项雄心勃勃的任务，阐明这些参数的各种物理效应，以一种尽可能多的光和尽可能少的热的方式，在这个往往不太直观的主题上。作者希望本文不是一个最终的描述，而是一个对话的开始。

超声技术背后的主要物理现象是一种被称为空化的现象。事实上，任何正确的超声波清洗处理都必须从讨论空化开始。江南娱乐app官方版下载国际空化是液体中微观气泡的产生和随后的破裂。当流体中加入较大的压力梯度时，就会形成这些气泡。在声波的低压部分，流体处于张力状态。当声波的振幅超过流体的局部拉伸强度时，介质中就会产生空洞或空腔。这个腔体在剩下的半个声音循环中不断生长。随着气泡的增长，溶解气体和流体蒸汽都通过腔壁扩散，并通过一种称为整流扩散的过程进入气泡。当与声波相关的压力开始变正时，会发生两种情况之一。在半个周期内增长到一定大小(R0)的泡沫可以部分破裂。 In this case the entrained gasses act as a shock absorber and the bubble may undergo further stable oscillations. The second possibility is that the bubble can suffer complete implosion, an event labeled transient cavitation. Both of these processes re-radiate absorbed energy from the incident acoustic field. It is this re-radiated energy that impinges upon a substrate and does the bulk of the cleaning. Cavitation is one of nature’s most efficient and dramatic amplifiers of energy density currently known. Each bubble collapse is accompanied by the local generation of temperatures on the order of thousands of degrees centigrade and pressures exceeding hundreds of atmospheres. Though recognized for almost a century1, physicists have yet to construct a complete description of this final collapse. Although much of the final implosion event is shrouded in mystery, the bubble dynamics prior to this are quite well understood.2、3、4

有了对空化现象的现象学解释，我们就可以开始研究各种超声参数的影响。要问的相关问题是发电机如何将能量传递给换能器，换能器如何将能量传递给空化清洗溶液，然后声波能量如何激励被清洗的部分?江南娱乐app官方版下载国际重要的是要认识到清洗系统是由清洗液和被清洗的部件组成的。江南娱乐app官方版下载国际

扫频
扫频是最原始的调频(FM)，自20世纪80年代末以来对超声波清洗行业产生了重大影响。江南娱乐app官方版下载国际如果操作正确，它可以提高超声波清洗机的性能，并一般减少恒频超声波对脆弱部件的损坏。例如，图1显示了一个典型的扫描频率104 kHz超声波发生器的频率与时间的关系图，其带宽为4千赫兹，扫描速率为500赫兹。

引入频率的变化，作为时间的函数，超声波阵列可以在许多方面影响罐中发生的事情。这包括能量如何转移到流体，声能如何有效地转化为空化能，以及能量如何转移到部件。所有部件都或多或少地吸收能量，除非在产生FM时采取极端的预防措施，否则这种能量可能是造成损害的重要来源。尽管有这样的事实，这是一个经常被忽视的影响。

声能通过一种被称为换能器的机电设备传递到水箱中，换能器以共振或其泛音之一振动。共振被定义为质量(在这种情况下是换能器)以最大速度振幅振荡的频率换能器的谐振频率完全由其几何形状和组成决定。由超声波发生器提供给换能器的电信号被转换成声音信号，然后传递到浴槽中。自然变化，Δf，存在于谐振频率，f，一个换能器相对于另一个。这些随机变化的发生是由于变量平凡的尺寸公差建立和传感器到坦克的连接变化。这些共振频率变化在阵列的平均频率两侧以相同的概率发生，在我们的例子中f0=104 kHz，并且可以在数百赫兹的数量级上发生。因此复合换能器阵列谐振频率分布的平均频率为f0，宽度为Δf，如图2所示。考虑到这一点，任何向换能器阵列提供恒定频率f0的发电机将仅在其实际谐振频率处激励一小部分换能器。其余的换能器将辐射效率较低，由于被驱除共振，并且油箱的部分将在声学上显得暗淡。相反，如果频率被扫过，比如正负2千赫，换能器将在其谐振频率上花费相同的时间。 If the transducers are swept quickly (with respect to the typical lifetime of a sound wave propagating through water) the entire array will be excited equally and the sound field in the tank will be very uniform in time. This is a way in which the act of sweeping the frequency of the signal to the transducers results in a more uniform and effective energy transfer into the tank.

图1

恒扫频率

图2

传感器中心频率分布
一旦一定数量的超声波能量被转移到流体介质中，就必须检查有多少能量以空化的形式表现出来。一种有效的表示方法是使用一种称为声相互作用截面的数学工具。简单地说，这是一个气泡从声波中减去的能量。这种能量随后被气泡通过脉动或内爆重新辐射，并影响大部分由超声波完成的清洗。江南娱乐app官方版下载国际更准确地说，声波相互作用截面是由于气泡的存在而从声波中减去的能量与入射光束强度的比率顾名思义，它的单位是面积，即平方米。

横截面是气泡半径的强烈函数，见图3，这意味着单个频率会挑选出它最喜欢的大小的气泡，并优先将能量泵入其中。在该频率下，谐振泡半径近似由下式确定:

对于大多数水溶液，我们使用κ = 1.3, p₀= 10⁶达因/厘米²， ρ = 1 gm/cm^3.．这使气泡半径0.008厘米在40千赫。如果我们扫描频率，我们就会激发一个气泡大小的范围。对于正负2kHz的扫描，所有0.0075cm到0.0083cm大小的气泡都被最大激发。大小与共振大小不同的气泡与入射声场的相互作用较小，从而吸收较少的空化能量。这种思路表明，扫描带宽越大，活动越好。这只是在一定程度上是正确的。当换能器脱离主共振时，它将电能转换为机械能的效率就降低了。这变成了一个收益递减的游戏，更大的扫描带宽允许你激发更大的气泡群，但在带宽末端的能量很少。最佳换能器设计具有宽带宽谐振，允许在整个扫描范围内将超声能量显著转移到油箱中。

到目前为止，我们已经讲了故事的三分之二。首先，我们考察了扫掠对传递到流体介质的能量的量和均匀性的影响方式。第二，我们处理了声波能量与流体中气泡分布的耦合方式。最后，我们必须讨论能量转移到部件的方法。

超声系统的设计者常常不能解决超声系统中零件如何被激发的问题。在许多情况下，超声系统由超声流体和浸没部分组成的知识是至关重要的。为了防止损伤模式，必须了解能量传递到部件的方法。

通过使用非恒定扫描速率消除了与固定频率扫描速率相关的潜在损伤模式。这种类型的调频(FM)可以通过使扫描速率随机或通过改变扫描速率作为时间的函数来实现。这种类型的调制，被称为“设计波形”，通常被称为扫扫速率，或双扫。图4显示了一个非恒定扫描速率的例子。

采用非恒定扫描速率的主要原因是为了从系统中消除任何单频扫描速率，因为被清洗的部件可以被两倍于单频扫描速率的频率激发成共振。许多脆弱的部件在激发共振时会断裂。

当一个典型的朗之万型换能器扫过一个频率带宽时，输出功率对于每个频率都不是恒定的。通常，发生器的输出功率在带宽中心附近达到峰值。当扫频上升时，在扫频范围的中心将功率峰值脉冲放入槽中。当扫频下降时，另一个功率峰值脉冲被放入这个扫频范围的中心。这个过程继续产生等间距的功率脉冲，其速率等于扫描速率的两倍。这正是与共振条件相关的高振幅振荡所需的处方。任何时间间隔相等的周期性能量爆发被注入到系统的谐振频率或其任何泛音，该系统可以经历大振幅振荡，可能导致部分损坏。引入一个非恒定的扫描速率将改变功率脉冲之间的间距。因此，没有固定的频率，功率脉冲被提供给液体，因此，没有重复的单频来激发被清洗的部分进入共振。波形设计力求消除所有可能引入系统的损坏模式

功率控制

功率控制通常有两种方式。一是振幅控制，二是占空比控制。振幅控制通过缩放传输到油箱的压力振幅来改变集成功率到流体中。占空比控制主要通过改变超声波操作的周期来改变油箱的功率。

振幅控制是重要的应用中，部分损害由于峰值空化强度是可能的。压力波的大小直接受到振幅控制的影响。虽然声压不能定量测量罐内的空化现象，但它是空化强度的关键参数。在流体空化之前，必须在容器中存在一定的最小量的超声波能量。这个最小能量量被称为空化阈值。空化阈值是超声频率的强上升函数(图5)，特别是在高(>100kHz)频率范围内。^6、7、8在中等功率下，在一个建立良好的空化场中，内爆能量大致与压力幅值与环境压力差的平方成正比。入射压力波幅值的降低有降低空化事件整体能量分布平均值的趋势，但变化缓慢且范围很窄。因此，单独的振幅控制是一个非常粗糙和不可靠的工具，通过消除部件损坏和空化侵蚀。

占空比是测量在给定的时间内，发电机的超声波输出被打开的时间的百分比。在占空比为50%时，发生器的超声波输出有一半的时间是开的，一半的时间是关的。占空比的主要影响是两倍。第一个来自于一种理解，即污染物去除机制以及部分损坏本质上是概率性的。占空比用于改变零件在给定时期内暴露于空化事件的总数。由于内爆更少，损坏的机会更少，低占空比有利于软基板。与大多数变量一样，必须注意在损坏和清洁级别之间进行交易;空化现象越少，清除颗粒的机会就越少。占空比功率控制的第二个积极影响是减少流体的德加时间。振荡气泡的时间平均半径在超声过程中有通过整流扩散增大的趋势⁹．这意味着大气泡(与R0相比)继续增长到浮力将它们推向流体表面的大小。占空比所带来的关闭时间有助于给这些气泡一个扩散到表面的机会。这是一个活跃的机制，通过气泡种群清洗自己的大气泡，以及抽吸行动，倾向于脱气的解决方案。通过同样的机制，气泡核和小气泡会不断增长，直到达到共振大小并经历短暂的坍缩。从这个崩溃破碎的泡沫碎片，然后是新的核，进一步种子的泡沫人口在一个自我维持的周期。在占空比所引入的关闭时间内，刚好高于谐振尺寸的气泡种群的成员被允许溶解到更小的半径。这些气泡具有较大的相互作用截面，有助于清洗过程。江南娱乐app官方版下载国际这是占空比(有时称为脉冲模式超声波)可以提高整体性能的两种方式。

中心频率控制

为了清洁的目的，重要的参数是空化事件中释江南娱乐app官方版下载国际放的能量量和空化事件的密度。这些参数与气泡大小有简单的关系。随着气泡半径的增加，内爆时释放的能量也会增加(表1)。当液体的功率恒定时，这意味着典型的气泡越大，单位时间内的气泡总数就越少。换句话说，在恒定的输入功率下，气泡半径的平方与内爆能量成正比，与气泡密度成反比。有了这些知识，我们可以通过修改气泡半径来定制清洗，从而修改每个事件中的能量以及事件的数江南娱乐app官方版下载国际量密度。最有效的方法是改变辐射频率。低频使气泡有足够的时间变大，而高频使空化气泡只有很少的时间进化。这在图6中最清楚地说明了，其中从方程1的谐振泡半径被绘制为频率的函数。控制每次空化内爆的能量对于防止被清洗的基材表面的点蚀或弹坑非常重要。

从清洁的角度来江南娱乐app官方版下载国际看，有很多关于不同频率下颗粒去除效率(PRE)的研究。低频超声对大颗粒有较好的预处理效果，高频超声最适合亚微米颗粒去除¹⁰．因此，在优化的单一工艺中，可以使用低频超声波(少数高能事件)去除大颗粒和/或严重污染，使用高频超声波(许多小的低能事件)去除亚微米颗粒。这构成了理想的清洗过程，其中零件可以在较短的时间内暴露江南娱乐app官方版下载国际于相对低频超声波(即40 kHz或72 kHz)下，然后长时间暴露于高频超声波(即104 kHz或170 kHz)下。这样的过程可以避免低频超声波通常带来的损害，但可以处理从大颗粒到亚微米大小的颗粒，具有出色的颗粒去除效率。超声波系统的最新技术进步使这种处理方案得以实现。有一类新的液体清洗和处理设备，其中有一个换能器阵列和一个发生器江南娱乐app官方版下载国际，在给定的一段时间内产生该换能器阵列的主共振或若干泛音之一的超声波。在这个编程时间之后，频率就会按照工艺工程师的规定，在间断地跳到第三个泛音之前，在另一个指定的时间内间断地跳到换能器阵列的不同泛音，等等。

改进后的零件清洁度最好通过颗粒去除百分比与颗粒尺寸的图表来证明。众所周知，高频率比低频率能去除更高比例的小颗粒。¹⁰有一个频率可以有效去除的最小尺寸，同样的，有一个任何频率都可以有效去除的最大尺寸颗粒。如果假设这条曲线本质上是高斯分布的，那么图7中所示的结果是选定的中心频率。

图7中的虚线表示100%。在x轴上使用粒径的倒数，以分散小粒径数。

考虑使用与生成图7中图形相同的中心频率，但增加超声曝光时间。结果如图8所示。

图8显示，在所选频率的最佳范围内，在较长的曝光时间内，所有颗粒的去除百分比较高，去除率为100%。然而，对于远离最佳粒径的颗粒去除效率较差。

如果选择较高的中心频率，请考虑对图8中曲线的影响。结果如图9所示。最佳粒径颗粒去除方法是在较高的超声频率下去除一组粒径较小的颗粒。

图10显示了五种不同中心频率下颗粒去除率与颗粒尺寸倒数的关系。选择每个频率下的曝光时间，以在该频率的最佳值附近对一定范围内的颗粒大小进行100%去除。图10中的第六个图表是40khz、72khz、104khz和170khz图表的总和。这表明，通过多个频率扫描可以有效地去除大范围的颗粒尺寸。

结论

用户可使用的各种超声波参数定义了可达到的清洁度和损伤最小化水平。在这篇论文中，我们试图强调和讨论涉及超声系统性能的最戏剧性的变量。具体来说，这些变量是扫频、功率控制和中心频率控制。

通过扫描调制频率通过三个主要机制影响超声性能。首先，扫描确保所有换能器均匀均匀地发射超声波。第二，通过在容器中引入更多的频率，在共振时，扫描激发出更大的气泡种群。这会为气泡脉动和内爆注入更多的能量。扫描的第三个重要方面是损害机制的最小化。平滑或以其他方式改变扫描频率，如双扫描，消除潜在的破坏性等间隔功率脉冲。这些脉冲刺激的等间距，特别是在具有尖锐共振特征的换能器中，有可能激发脆弱的部件产生破坏性的交感振动。在了解了扫频的影响后，理想的扫频是在传感器允许的带宽范围内，具有不断变化的速率的快速扫频。

功率调制通过占空比和振幅控制进入油箱，以不同的方式影响超声波的活动。通过幅值控制改变罐内峰值压力，可以平稳而缓慢地改变气泡群所围绕的平均内爆能量。占空比用于通过脱气快速修改气泡人口。占空比还会改变零件暴露于空化内爆的数量，从而减少损坏的机会。理想的功率控制在很大程度上是被清洗部件的功能以及污染物的类型，并且必须在每个应用的基础上解决。

将油箱内的超声波频率从换能器的主频率离散地改变为其任何泛音的能力，称为中心频率控制，可能是工程师可用的各种可修改的超声波参数中最通用和最重要的。空化内爆能量的变化是频率平方的倒数。因此，影响内爆能量大规模变化的唯一方法是通过频率的大幅不连续跳变，例如72千赫到104千赫。同样，清洁的功效是内爆能量的一个重要函数，并江南娱乐app官方版下载国际且对于每种应用都是不同的。理想的超声波设备允许在单一过程中控制中心频率，以最大的颗粒去除效率，跨越广泛的颗粒尺寸谱。

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