一类用于清洗的新型超声波振子

　　超声波清洗是把频率大于20 kHz的超声波导入清洗液中,利用超声波产生的空化等作用,使被洗物件的表面或细缝中的污物被去除的一种清洗方法。较传统手工和化学清洗方法,超声清洗具有清洗速度快、洗净度高、节省溶剂以及污染少等优点。由于这些特点,超声清洗技术已广泛应用于机械、电子、化工、纺织、轻工、医药等国民经济的许多行业。另外,根据5关于消耗臭氧层蒙特利尔议定书6的要求,中国需在2010年前逐步禁止使用ODS(臭氧消耗物质)。目前,国际社会都在积极研究替代ODS清洗技术和工艺的新技术和新方法,因此从节能和环境保护考虑,超声清洗技术以其高效及利于环境保护的独特优点而在世界范围内备受重视。传统的超声清洗设备主要由两部分组成,即产生高频电信号的超声波发生器和以换能器(超声波振子)为核心的超声波清洗槽。其中换能器在超声清洗中扮演着非常重要的角色,是一个关键的执行元件结构。

　　实际中常用的换能器为夹心式压电换能器,它们用于液体处理(如超声清洗)时经常存在声匹配不良的缺点,如水在20°C时的特性阻抗为1.48x10⁶Pa.sPm,而换能器前盖板常用的材料铝的特性阻抗为13.6x10⁶Pa.sPm,二者之比约1B9.2,即此时换能器和负载的声匹配不好,其辐射效率不高。为了提高辐射声功率,可以采用增大换能器辐射面积的方法,如用于超声清洗换能器的前盖板常设计成截面积逐渐增大的喇叭形[1]。然而,换能器的最大横向尺寸受工作频率及材料声速的限制不可能太大。另外,普通超声清洗机的声场不均匀也是一个普遍存在的问题。

　　为了解决上述问题,Frei提出了一种用于清洗的新型超声波振子—管形振子(Tube Resonators),它由一个普通纵向振动换能器和一个圆管连接而成,圆管受换能器激励并将纵向振动转化为径向振动向周围液体辐射超声波[2]。由于该管形振子沿管体均能辐射超声波,故其辐射面积较普通夹心式换能器大很多,而且它通过径向振动向周围辐射声能,所以产生的声场也比较均匀。后来,Walter等人对管形振子进行了改进,通过在圆管两端使用两个纵向振动换能器同时激励,从而更有效地将纵向振动转化为径向振动,并称这种振子为推拉换能器(Push-Pull transducers)[3]。虽然上述两种超声振子的名称不同,但它们的结构相似,工作原理相同,可归结为同一类振子。我们将重点介绍这类新型超声振子的结构、工作原理、辐射声场特性及主要用途。

　　1 振子的结构

　　1.1 管形振子的结构

　　Frei提出的管形振子的结构如图1所示,它主要由一个纵振换能器和一圆管组成,圆管可为实心也可为空心,其长度为振子工作时所对应半波长的整数倍。引线用于连接超声电源,引线处密封防止液体进入管中,保证实际使用时管形振子可以全部浸入液体中。