超聲清洗作為功率超聲中應(yīng)用最廣泛的一項(xiàng)技術(shù)，由于具有污染小、清洗效率高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于機(jī)械、醫(yī)療、電子、光學(xué)、半導(dǎo)體等行業(yè)，而清洗槽內(nèi)超聲場(chǎng)的分布直接影響清洗效果的好壞。目前很多學(xué)者通過(guò)改善功率密度、超聲頻率、清洗介質(zhì)、溫度以及清洗槽結(jié)構(gòu)等設(shè)法改善槽內(nèi)的聲場(chǎng)分布的均勻性，以減少清洗過(guò)程中的死區(qū)和盲點(diǎn)，但效果并不理想。針對(duì)應(yīng)用最為廣泛的矩形槽式超聲波清洗機(jī)，本文采用不同信號(hào)激勵(lì)其換能振動(dòng)系統(tǒng)，研究分析其槽中的聲場(chǎng)分布。聲場(chǎng)分布的測(cè)量實(shí)驗(yàn)中矩形清洗槽的液面高度保持在120mm，功率放大器的輸出功率約310W，加在清洗槽換能器上的功率分別約240，250，270W。向槽中加入一定濃度的亞甲基藍(lán)水溶液，同時(shí)將銅版紙按一定方式浸入并固定在液體中。豎直放置時(shí)，紙下端緊挨槽底，水平放置時(shí)紙面距槽底40mm。然后啟動(dòng)激勵(lì)信號(hào)( 正弦信號(hào)或合成信號(hào)) ，在超聲場(chǎng)作用下，染料將優(yōu)先附著在聲能量較強(qiáng)處。系統(tǒng)工作20s后取出銅版紙，晾干整平，即可獲得不同信號(hào)激勵(lì)下豎直和水平方向上代表聲場(chǎng)空間分布的染料圖案。
1 豎直方向
不同的矩形超聲清洗槽在不同激勵(lì)方式下的豎直方向聲場(chǎng)分布情況。在正弦信號(hào)激勵(lì)下，由于聲波間的相干性，豎直方向上聲壓能量密度出現(xiàn)極大極小值的起伏變化，聲場(chǎng)呈現(xiàn)近似帶狀分布。如果取液體中的聲速c=1480m/s，用公式λ =c/f計(jì)算3種諧振頻率下的波長(zhǎng)分別為62，41，26mm。因此，頻率越高，波長(zhǎng)越短，帶狀逐漸變得不明顯。3種正弦頻率下的聲波在矩形槽中傳播時(shí)，激起的簡(jiǎn)正波個(gè)數(shù)分別為113，389，1531，可見(jiàn)隨著頻率的增加，空間簡(jiǎn)正波的數(shù)目增加得更明顯，大量的簡(jiǎn)正振動(dòng)方式疊加會(huì)“平均”掉聲場(chǎng)中的駐波效應(yīng)。這一結(jié)果與上述理論分析結(jié)論一致。所以，從改善清洗槽的聲場(chǎng)均勻性而言，高頻信號(hào)激勵(lì)優(yōu)于低頻信號(hào)。在不同帶寬的合成信號(hào)激勵(lì)下，與對(duì)應(yīng)的單頻正弦信號(hào)相比，3種槽內(nèi)聲場(chǎng)分布的均勻性都有明顯改善。但由分析知，合成信號(hào)在帶寬Δf =1kHz和Δf = 2kHz時(shí)，對(duì)聲場(chǎng)均勻性的改善基本相同。而當(dāng)Δf = 3kHz時(shí)，改善效果相對(duì)較差，且頻率越低，這一現(xiàn)象越明顯。
2 水平方向
為不同超聲清洗槽水平方向上的聲場(chǎng)分布。單頻正弦信號(hào)激勵(lì)下，水平方向聲場(chǎng)分布隨聲源頻率變化的趨勢(shì)與豎直方向相同，即頻率越高，聲場(chǎng)分布越均勻。具體表現(xiàn)在整個(gè)平面內(nèi)呈現(xiàn)不均勻變化情況。合成信號(hào)在帶寬Δf = 1kHz和Δf =2kHz時(shí)，水平方向聲場(chǎng)的均勻性也得到很好的改善。但同樣在Δf =3kHz時(shí)，聲場(chǎng)均勻性呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。因此，不論在豎直還是水平方向，對(duì)合成信號(hào)在帶寬Δf = 1kHz和Δf = 2kHz分析，一方面是多頻信號(hào)的不相干性; 另一方面，對(duì)每種矩形超聲清洗槽而言，合成信號(hào)激勵(lì)實(shí)際上是有較高頻率的信號(hào)參與激勵(lì)換能器工作，相當(dāng)于增加了聲場(chǎng)中的簡(jiǎn)正聲波數(shù)目。
3 結(jié)論
本文研究了不同信號(hào)激勵(lì)下矩形槽式超聲波清洗機(jī)的聲場(chǎng)分布，理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明: 在單頻正弦信號(hào)激勵(lì)下，清洗槽諧振頻率越高，簡(jiǎn)正聲波數(shù)目越多，聲場(chǎng)分布均勻性越明顯; 多頻合成信號(hào)由于聲波的不相干性，聲場(chǎng)分布均勻性明顯優(yōu)于單頻的正弦信號(hào)，且頻率越高，聲場(chǎng)均勻性越好; 本文實(shí)驗(yàn)不同諧振頻率的系統(tǒng)均采用相同帶寬的合成信號(hào)，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明: 合成信號(hào)帶寬的設(shè)置，應(yīng)根據(jù)換能器的諧振特性進(jìn)行選擇; 在本文實(shí)驗(yàn)條件下，合成信號(hào)的帶寬Δf =1—2kHz較為適宜，且隨著系統(tǒng)諧振頻率越高，Δf 可相應(yīng)地適當(dāng)變寬。
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