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超声波的介绍与原理

更新时间:2021-11-15浏览:2378次

超声波的波长比一般声波要短,具有较好的方向性,而且能透过不透明物质,这一特性已被用于超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技术。超声成像是利用超声波呈现不透明物内部形象的技术 。把从换能器发出的超声波经声透镜聚焦在不透明试样上,从试样透出的超声波携带了被照部位的信息(如对声波的反射、吸收和散射的能力),经声透镜汇聚在压电接收器上,所得电信号输入放大器,利用扫描系统可把不透明试样的形象显示在荧光屏上。上述装置称为超声显微镜。超声成像技术已在医疗检查方面获得普遍应用,在微电子器件制造业中用来对大规模集成电路进行检查,在材料科学中用来显示合金中不同组分的区域和晶粒间界等。声全息术是利用超声波的干涉原理记录和重现不透明物的立体图像的声成像技术,其原理与光波的全息术基本相同,只是记录手段不同而已(见全息术)。用同一超声信号源激励两个放置在液体中的换能器,它们分别发射两束相干的超声波:一束透过被研究的物体后成为物波,另一束作为参考波。物波和参考波在液面上相干叠加形成声全息图,用激光束照射声全息图,利用激光在声全息图上反射时产生的衍射效应而获得物的重现像,通常用摄像机和电视机作实时观察。

超声波洗净的含义

超声波洗净作用,是以超过人类听觉声频以上的波动在液体中传导.当音波在洗净剂中传播时,由于音波是一种纵波,纵波推动介质的作用会使液体中压力变化而产生无数微小真空泡,称之为"空穴效应"。当汽泡受压爆破时,会产生强大的冲击能,可将固着在物件死角内的污垢打散,并增强洗净的洗净效果,由于超声波频率高波长短,穿透力强,因此对有隐蔽细缝或复杂结构的清洗物,可以达到惊人的洗净效果

超声波清洗是基于空化作用,即在清洗液中无数气泡快速形成并迅速内爆。由此产生的冲击将浸没在清洗液中的工件内外表面的污物剥落下来。随着超声频率的提高,气泡数量增加而爆破冲击力减弱,因此,高频超声特别适用于小颗粒污垢的清洗而不破环其工件表面。空化泡的扩大以及爆裂(内爆)气泡是在液体中施加高频(超声频率)、高强度的声波而产生的。因此,任何超声清洗系统都必须具备三个基本元件:盛放清洗液的槽、将电能转化为机械能的换能器以及产生高频电信号的超声波发生器。

换能器和发生器

超声清洗系统***重要的部分是换能器。现存两种换能器,一种是磁力换能器,由镍或镍合金制成;一种压电换能器,由锆钛酸铅或其他陶瓷制成。

将压电材料放入电压变化的电场中时,它会发生变形,这就是所谓的"压电效应"。相对来说,磁力换能器是用会在变化的磁场中发生变形的材料制成的。无论使用何种换能器,通基本的因素为其产生的空化效应的强度。

超声波和其它声波一样,是一系列的压力点,即一种压缩和膨胀交替的波(如下图示)。如果声能足够强,液体在波的膨胀阶段被推开,由此产生气泡;而在波的压缩阶段,这些气泡就在液体中瞬间爆裂或内爆,产生一种非常冲击力,特别适用于清洗。这个过程被称做空化作用。声波的压缩和膨胀从理论上分析,爆裂的空化泡会产生超过10,000 psi的压力和20,000 °F (11,000 °C) 的高温,并在其爆裂的瞬间冲击波会迅速向外辐射。单个空化泡所释放的能量很小,但每秒钟内有几百万的空化泡同时爆裂,累计起来的效果将是非常强烈的,产生的强大的冲击力将工件表面的污物剥落,这就是所有超声清洗的特点。 如果超声能量足够大,空化现象会在清洗液各处产生,所以超声波能够有效清洗微小的裂缝和孔。空化作用也促进了化学反应并加速了表面膜的溶解。然而只有在某区域的液体压力低于该气泡内气体压力时才会在该区域产生空化现象,故由换能器产生的超声波振幅足够大时才能满足这一条件。产生空化所需的小功率被称做空化临界点。不同的液体存在不同的空化临界点,故超声波能量必须超过该临界点才能达到清洗效果。也就是说,只有能量超过临界点才能产生空化泡,以便进行超声清洗。

频率的重要性

当工作频率很低(在人的听觉范围内)就会产生噪音。当频率低于20kHz时,工作噪音不仅变得很大,而且可能超出职业安全与保健法或其他条例所规定的安全噪音的限度。在需要高功率去除污垢而不用考虑工件表面损伤的应用中,通常选择从20kHz到30kHz范围内的较低清洗频率。该频率范围内的清洗频率常常被用于清洗大型、重型零件或高密度材料的工件。洁康公司 提供20KHz的磁力换能器和25KHz的压电换能器Cavitation Strength Relative to 40 kHz 高频通常被用于清洗较小、较的零件,或清除微小颗粒。高频还被用于被工件表面不允许损伤的应用。使用高频可从几个方面改善清洗性能。随着频率的增加,空化泡的数量呈线形增加,从而产生更多更密集的冲击波使其能进入到更小的缝隙中。如果功率保持不变,空化泡变小,其释放的能量相应减少,这样有效地减小了对工件表面的损伤。高频的另一个优势在于减小了粘滞边界层(泊努里效应),使得超声波能够'发现'极细小的微粒。这种情况近似于小溪中水位降低时可以看清溪底的小石子。洁康公司提供了一系列中间频率的产品,有40kHz、80kHz、120kHz和170kHz。清洗极微小的颗粒时,可选用频率为350kHz的产品。洁康公司近来推出了用于此类场合的MicroCoustics系统,其频率为400kHz。


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