超声波清洗机是如何工作的？

电子发烧友网报道（文/黄山明）在我们清洗眼镜时，经常会遇到一些问题，比如无法有效清洗上面的油渍，角落中的污垢也很难被清洗干净。而使用超声波清洗机，不仅能够方便的对眼镜、饰品等小物件进行清洗，并且可以进行全方位彻底的清洁，但超声波清洗机是如何工作的呢？
 
超声波清洗机的发展历史
 
超声波清洗机的发展历史可以追溯到20世纪初，自1880年居里兄弟发现压电效应以来，压电学成为现代科学与技术的一个重要领域。然而，压电换能器最早应用于工程是仅作为滤波器件的石英晶体谐振器，而压电效应在工程中应用也只局限于水声和电声器件。
 
在第一次世界大战期间，法国著名物理学家保罗·朗之万发明了“钢-石英-钢”结构的夹心压电换能器，并成功地在水中进行了发射和接收超声波的实验，这是人类首次对超声波技术的应用展开研究。
 
然而，真正的超声波清洗技术研究始于20世纪50年代，当时H.B.Miller对换能器做出了巨大改进，发展了加预应力的复合换能器，为功率超声波技术的工业应用奠定了基础。在这一时期，超声波清洗技术主要应用于电子、光学和医药等领域。由于其强大的实用性和广泛的应用范围，从大型机械零部件到小型半导体器件等的清洗，久而久之被俗称为“无刷清洗”。
 
然而，此技术的广泛应用并非一帆风顺。尽管超声波清洗机已经有了30多年的历史，日本在25年前就开始使用，但一个误解一直困扰着这项技术，使人们怀疑超声波清洗器的效果。
 
传统的超声波清洗器理论认为，气泡起到了清洗的作用。但科学家经过反复试验发现，事实上，气泡只是由超声波的强力粗密波引起的单纯的气体爆发而已，它反而会抑制甚至消除超声波清洗器的清洗力，真正发挥清洗作用的是真空的气穴。
 
日本清洗工程研究会创始人柴野佳英在1987年公开发表了这一超声波清洗的基本理论，并根据这一理论研制出了技术领先的超声波清洗设备。
 
随着应用范围的扩大和科技的进步，超声波清洗设备也在不断发展和改进。传统的超声波清洗设备由于自动化程度不高而难以保证零件清洗的均匀性，近年来逐渐出现了自动化程度高、灵活性强的自动化超声波清洗设备。
 
如今，超声波清洗机更是进一步进入到人们的生活中来，帮助清洗一些结构复杂，难以清理的物件。
 
超声波清洗机的工作原理
 
工作原理上，超声波清洗机主要是通过换能器将功率超声频源的声能转换成机械振动，通过清洗槽壁将超声波辐射到槽子中的清洗液。
 
由于受到超声波的辐射，使槽内液体中的微气泡能够在声波的作用下保持振动。这些微气泡在破裂时会产生强大的冲击力，从而将污垢和油脂从被清洗物表面及内部分离。
 
同时，超声波在清洗液中传播时会产生正负交变的声压，形成射流，冲击清洗件。并且由于非线性效应会产生声流和微声流，而超声空化在固体和液体界面会产生高速的微射流，所有这些作用能够破坏污物，除去或削弱边界污层，增加搅拌、扩散作用，加速可溶性污物的溶解，强化化学清洗剂的清洗作用。
 
具体而言，当液体被利用时，将产生气泡，并且当液体被压缩时，气泡将被压缩，它会被粉碎和破碎，这便发生了著名的“超声波空化效应”。在空化效应中，气泡闭合的瞬间产生冲击波，使气泡周围产生巨大的压力（1012-1013pa）及局部调温，这种超声波空化所产生的巨大压力能破坏不溶性污物而使他们分化于溶液中。同时，蒸汽型空化对污垢的直接反复冲击也有利于污渍的清除。
 
此外，超声波清洗也利用了超声波在液体中的空化作用、加速度作用及直进流作用对液体和污物直接或间接的作用。这样可以使污物层分散、乳化、剥离，从而达到清洗目的。
 
值得一提的是，超声波清洗机中的换能器起着至关重要的作用，它是一种能量转换器件。它的主要功能是将输入的电功率转换成机械功率（即超声波）再传递出去，而自身消耗掉的功率很少（小于10%）。
 
具体来说，换能器将功率超声频源的声能转换成机械振动，通过清洗槽壁将超声波辐射到槽子中的清洗液。由于受到超声波的辐射，使槽内液体中的微气泡能够在声波的作用下从而保持振动。
 
当使用超声波换能器时，最需要考虑的问题是与输入输出端的匹配，其次是机械安装和配合尺寸。此外，换能器产生的振幅极小的高频震动并传播到清洗槽中，通过机械能作用将产品的污物清除，提高产品洁净度。
 
小结
 
超声波清洗机通过一种被称为“空化效应”的原理来清除污渍，而不是利用气泡。未来随着技术的不断进步和市场需求的不断增长，超声波清洗机将会在更多领域得到应用，同时也会更加环保、高效和智能化。