超聲清洗作為功率超聲中應(yīng)用最廣泛的一項技術(shù)，由于具有污染小、清洗效率高等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于機械、醫(yī)療、電子、光學(xué)、半導(dǎo)體等行業(yè)，而清洗槽內(nèi)超聲場的分布直接影響清洗效果的好壞。目前很多學(xué)者通過改善功率密度、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)的聲場分布的均勻性，以減少清洗過程中的死區(qū)和盲點，但效果并不理想。針對應(yīng)用最為廣泛的矩形槽式超聲波清洗機，本文采用不同信號激勵其換能振動系統(tǒng)，研究分析其槽中的聲場分布。聲場分布的測量實驗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水溶液，同時將銅版紙按一定方式浸入并固定在液體中。豎直放置時，紙下端緊挨槽底，水平放置時紙面距槽底40mm。然后啟動激勵信號( 正弦信號或合成信號) ，在超聲場作用下，染料將優(yōu)先附著在聲能量較強處。系統(tǒng)工作20s后取出銅版紙，晾干整平，即可獲得不同信號激勵下豎直和水平方向上代表聲場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方式下的豎直方向聲場分布情況。在正弦信號激勵下，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計算3種諧振頻率下的波長分別為62，41，26mm。因此，頻率越高，波長越短，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，激起的簡正波個數(shù)分別為113，389，1531，可見隨著頻率的增加，空間簡正波的數(shù)目增加得更明顯，大量的簡正振動方式疊加會“平均”掉聲場中的駐波效應(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均勻性而言，高頻信號激勵優(yōu)于低頻信號。在不同帶寬的合成信號激勵下，與對應(yīng)的單頻正弦信號相比，3種槽內(nèi)聲場分布的均勻性都有明顯改善。但由分析知，合成信號在帶寬Δf =1kHz和Δf = 2kHz時，對聲場均勻性的改善基本相同。而當(dāng)Δf = 3kHz時，改善效果相對較差，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分布。單頻正弦信號激勵下，水平方向聲場分布隨聲源頻率變化的趨勢與豎直方向相同，即頻率越高，聲場分布越均勻。具體表現(xiàn)在整個平面內(nèi)呈現(xiàn)不均勻變化情況。合成信號在帶寬Δf = 1kHz和Δf =2kHz時，水平方向聲場的均勻性也得到很好的改善。但同樣在Δf =3kHz時，聲場均勻性呈現(xiàn)降低的趨勢。因此，不論在豎直還是水平方向，對合成信號在帶寬Δf = 1kHz和Δf = 2kHz分析，一方面是多頻信號的不相干性; 另一方面，對每種矩形超聲清洗槽而言，合成信號激勵實際上是有較高頻率的信號參與激勵換能器工作，相當(dāng)于增加了聲場中的簡正聲波數(shù)目。
3 結(jié)論
本文研究了不同信號激勵下矩形槽式超聲波清洗機的聲場分布，理論分析與實驗結(jié)果都表明: 在單頻正弦信號激勵下，清洗槽諧振頻率越高，簡正聲波數(shù)目越多，聲場分布均勻性越明顯; 多頻合成信號由于聲波的不相干性，聲場分布均勻性明顯優(yōu)于單頻的正弦信號，且頻率越高，聲場均勻性越好; 本文實驗不同諧振頻率的系統(tǒng)均采用相同帶寬的合成信號，但實驗結(jié)果表明: 合成信號帶寬的設(shè)置，應(yīng)根據(jù)換能器的諧振特性進行選擇; 在本文實驗條件下，合成信號的帶寬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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