超聲波清洗技術及設備研究進展

黃志超，涂林鵬，劉舉平，黃 薇，韓志利

（1. 華東交通大學載運工具與裝備教育部重點實驗室，江西 南昌330013；2. 中車洛陽機車有限公司，河南 洛陽471002）

現如今，超聲波清洗技術已成為諸多工業生產以及科學與醫學研究領域中的常規技術[1]。超聲波具有波長短、能量集中、穿透力強等特性，在液體中產生空化效應發揮作用，因此可以利用超聲波清洗那些構造精密，傳統清洗方式不能達到的地方，如存在盲孔、縫隙等復雜結構的工件，同時其所具備的能量可以高效去除附著力強、難溶解性的污漬，大大縮減清洗工時，從而減少對工件清洗過程中的損傷，保證工件的使用壽命[2]。 超聲波清洗設備首次應用于20 世紀50 年代，主要應用于機械零部件以及醫學材料的表面清洗，隨著超聲波電源及換能器技術的發展，超聲波清洗機體積更小，效率更高，例如在汽車減震器復雜的金屬零件[3]、軸承[4]這類拆卸困難并且結構精密復雜的部件，超聲波清洗技術便大大提高清洗效率。 直到近幾年，隨著計算機控制技術發展與運用，超聲波清洗機從半自動化向全自動化，多功能一體式發展。

隨著生產技術的提高，產品精度越來越高，結構越來越復雜，超聲波清洗工藝也要求更高的清洗質量，不少研究人員對超聲波清洗技術中的各個方面進行了大量的研究，研究超聲空化效應的形成、空化強度測量以及超聲波清洗效果的影響因素等問題對于改進優化超聲波清洗工藝，能夠為超聲波清洗設備提供設計準則。研究者從建立動力學模型，利用數值模擬以及實驗驗證等方法，到控制系統中的算法研究等來實現清洗設備各系統間的完美匹配，進而提高超聲波的清洗質量。

1 超聲清洗技術理論研究

1.1 空化效應的觀測

超聲波在液體中會產生空化、乳化、化學反應以及熱效應等多種效應，早期Rozenberg L[5]利用高速攝影機觀察超聲波在液體中產生了大量的“氣泡”，在這些“氣泡”的作用下去除了污染物，認為超聲波在液體中主要是靠空化效應發揮了清洗作用，然而由于技術水平的局限性，很難觀測出空化氣泡從形成到潰滅過程的機理。 隨著影像科技水平的提高，李彬[6]等利用影像設備觀測到空化氣泡在超聲波聲場中的運動行為，探測醫學用途中微泡在超聲波頻率激勵下振動的半徑變化，但對于氣泡起振的初始狀態無法確定。 白立新[7]等則采用超高速顯微成像裝置、水聽器、示波器以及空化實驗裝置等對空化氣泡的形成及分布進行觀測，并且通過控制空化的產生以及壓力分布探討了幾種典型：錐形、柱形、樹枝狀、拖尾狀以及射流型結構的相互關系。此外，Tiong T J[8]等利用聲致發光圖像技術來觀測液體超聲場中的空化分布情況， 同時利用Comsol 進行數值模擬與觀測圖像進行比較。 如圖1（a）所示，超聲波在液體中呈輻射傳播，清洗槽中多個超聲波源與超聲波的反射波疊加形成共振波如圖1（b）所示，圖2 所示的空化區域就主要發生在共振波集中的區域。

圖1 超聲波在液體中的傳播Fig.1 Propagation of ultrasonic waves in liquids

圖2 空化效應的產生Fig.2 The generation of cavitation effect

1.2 空化氣泡的運動特性

通過許多研究者對于空化效應的觀測，發現空化泡在聲場中一直處于運動或振蕩狀態，并且隨外界條件的不同，如聲壓、頻率等聲學參數，液體物理屬性以及氣泡初始半徑等，呈現不同的運動狀態，同時空化強度不盡相同，這類現象將大大影響超聲波清洗的效果。 最早由Rayleigh[9]在未考慮液體可壓縮性、表面張力以及液體粘性的情況下，建立了以半徑為動力學參數的球形氣泡動力學方程，之后Plesset[10]等對Rayleigh 方程進行修正得出符合實際場景的Rayleigh-Plesset（R-P）動力學方程，計算更為準確。 但R-P 方程是建立在氣泡小振幅運動狀態下，同時要考慮到空化氣泡在超聲場中的非球形狀態，Leighton[11]推導出以體積為動力學參數的R-P 方程，具有更大的計算精度。 羅賢能[12]等忽略液體壓縮，氣泡內蒸汽壓等情況，用Matlab 對單一空化氣泡的理想模型進行R-P 方程計算，計算空化的諧振頻率和氣泡共振半徑，模擬不同頻率參數以及對比三角波、方波和正弦波信號對氣泡產生到潰滅時運動特性的影響，得知單一的增加頻率，不一定能增強空化效果，方波信號比其它信號激勵下的空化效果要好。 沈壯志[13]等則根據實際條件，同時考慮了氣泡運動時向液體輻射聲波而存在的輻射阻尼，討論了頻率以及初始半徑對氣泡運動的影響，結果表明，超聲頻率小于共振頻率時，空化氣泡的數量逐漸增多，頻率增大時，空化泡難以被壓潰，只能往復振蕩運動，空化效果減弱，同樣對于初始半徑大于共振半徑的空化氣泡，在聲場中也做振蕩運動不會被壓潰，小于初始半徑則會在負壓作用下增大到共振半徑壓潰。 龐昊斐[14]等通過數值模擬的方法，建立以水為清洗液體環境中的空化氣泡動力學模型，模擬清洗溫度從0～80 ℃空化效果的影響。發現隨著溫度升高，液體的表面張力和粘性下降，氣泡具有更快的膨脹的速度，且從生成到湮滅的時間縮短為原來的三分之一，在50 ℃左右的溫度下空化氣泡膨脹半徑最大，空化強度達到最大，而溫度的變化幾乎不影響空化氣泡的運動特性。

許多學者對空化氣泡的運動特性做了數值分析與實驗驗證，但在實際超聲波清洗中超聲波聲場同時存在清洗對象的固態界面，這類情況下的空化氣泡運動特征直到近幾年，一些學者才開始涉足研究。 實際上，早在1966 年，Benjamin[15]首次試驗發現, 空化氣泡在固態界面上下受力不均勻時，可能產生一束高速微射流穿過氣泡沖擊在固體面上。Brujan[16]和Ikeda T[17]則測量了微射流的速度及沖擊強度，計算出在特定頻率激勵下的空化氣泡能產生80～130 m/s 的微射流，沖擊強度達到1.3 GPa。 Vignoli[18]則研究微射流的產生條件，發現氣泡只有在潰滅速度遠大于聲波傳播速度的情況下產生微射流，圖3 所示為超聲空化氣泡潰滅產生的微射流效應作用在固體污染物上，實現清洗效果。 郭策[19]等建立剛性界面附件的空化氣泡動力學模型，計算對比自由界面下的空化氣泡運動特征，發現剛性界面的存在對氣泡的振蕩起抑制的作用，影響氣泡的潰滅速度，通過研究氣泡潰滅速度與微射流的關系發現控制潰滅速度可以達到控制微射流的目的。 葉林征[20]等基于耦合歐拉-拉格朗日( CEL) 方法建立了超聲空化微射流沖擊壁面模型，探討微射流沖擊固態界面的角度對沖擊強度的影響，在一定角度范圍內，微射流沖擊強度會隨角度增大而加強，隨著角度的增大，對剛性界面的沖擊強度減弱。 葉林征[21]等還通過建立微射流-固態界面的固流耦合模型，通過固態模型反向推演微射流的最佳速度和空化強度，為微射流的控制提供理論參考。

圖3 超聲空化除污過程Fig.3 Ultrasonic cavitation decontamination process

1.3 空化強度的測量

國內外學者對于空化強度的測量方法做了許多研究。 王向紅[22]等通過鋁箔腐蝕實驗的方式較直觀測量超聲空化強度，發現鋁箔腐蝕的區域主要分布于清洗槽的中間部位。 李超[23]等通過氣泡破裂時產生的噪聲脈沖信號強度來體現空化的強弱，Verhaagen B[24]等則提出一種具有高空間分辨率和時間分辨率的“理想傳感器”來測量空化情況。 然而，由于傳感器在超聲波聲場中會受到干擾，以及鋁箔腐蝕等方法靈敏度不高，不能完全反映液體中的空化情況，Saalbach K A[25]等通過利用自感知技術檢測超聲波在液體中的空化效應，則利用超聲波換能器中頻率分量的電信號去自感知檢測液體中的空化情況，檢測出空化的產生（空化閾值的大小），超諧波（空化強度最大）的產生、大小、分布區域與換能器頻率的大小，換能器面積以及距離的相關性。近年來，眾多研究人員關于空化強度概念表述問題提出了質疑，沈建中[26]認為空化氣泡產生的大小、數量只能反應某種單一條件（頻率、功率等）下空化的狀態，鋁箔腐蝕、聲致發光和噪聲測量的方法也只是反映空化完成之后的清洗效果，不能表示空化過程中的強烈程度。 吳鵬飛[27]等引入了空化狀態變量的新概念，通過空化狀態變量的起伏變化來表述空化強烈程度。

1.4 影響超聲波清洗的其他因素

超聲波清洗效果的影響因素主要來自三個方面（如圖4 所示）。 其中，清洗設備參數中的功率，頻率、清洗時間以及清洗液的溫度和流動速度等會影響超聲波在液體中的空化效應，清洗劑的溶解力和酸堿性則會影響除污效果，工件的結構和擺放位置則與超聲波的傳播衰減有關。

圖4 超聲波清洗的主要影響因素Fig.4 Main influencing factors of ultrasonic cleaning

國內外許多學者從空化氣泡動力學的角度對空化效應的影響因素做了大量的研究，不少人也從清洗設備的聲學參數對清洗效果進行探究。Worapol T[28]等通過Ansys Workbench 對清洗槽進行諧響應分析，模擬在方形槽內，在換能器數目相同的情況下，換能器不同放置位置頻率在28 kHz 和40 kHz 時槽內聲壓場情況，發現換能器同時底面放置和側面放置時28 kHz 和40 kHz 都能得到比全部底面放置時更高的聲壓強度，且40 kHz 時聲場分布比28 kHz 更均勻。 曾照彬[29]利用Matlab 仿真槽內的聲場情況，對比研究功率，換能器半徑、頻率、發射角度的影響規律。 發現聲場強度與傳播距離的平方成反比，與功率的平方根成正比，并在一定程度時達到飽和。 同時聲場強度也隨換能器半徑和頻率的增大而增大，半徑持續增大聲場強度會增大但使得橫向聲場范圍縮小，頻率則是縱向聲場范圍增大但強度減弱。楊景[30]等研究強超聲作用下空化的反常衰減問題，功率會影響單位時間或空間內的空化氣泡數量，增大功率，清洗槽內空化氣泡的密度增加，但是持續增大，產生大量氣泡增加了超聲波在清洗槽內的非線性衰減，超聲波能降低，清洗效果下降。陳偉中[31]則發現空化衰減的原因在于大功率下的空化氣泡數量多，加劇空化氣泡的非線性振蕩，吸收更多的諧波能量，這稱為“空化屏蔽”現象，并提出一種改善空化均勻性的方法。朱秀麗[32]等利用聲致發光原理通過微光測量系統測量溫度從6～85 ℃時的聲致發光強度，空化強度大，對應的聲致發光強度也越大。 發現溫度逐漸升高到55 ℃時光強度達到最大值，隨后溫度升高，強度減小。

Niemczewski B[33]等研究了清洗液的酸堿性對清洗效果的影響，通過實驗對比同等濃度的堿性清洗液的情況下得出加入亞硫酸氫鈉使得清洗液堿性降低具有更好的空化效果，然后為進一步探究，Niemczewski B[34]又對比了清洗液濃度酸性1%～7%（w/w）情況下對空化效果的影響，發現隨著酸濃度的逐漸升高，空化效應強度無明顯變化，甚至頻率在36 kHz 時強度稍有增大。

此外周圍的環境也會影響超聲波清洗效果。 2015 年，吳強[35]等利用數值模擬計算環境壓力對清洗槽內空化效應的影響規律，得出環境壓力在小于清洗槽內的聲壓場強時，空化情況受聲壓場的影響更大，而隨著環境壓力的升高，空化強度將大大降低。

數值模擬和空化實驗均能夠得出各個清洗條件參數對超聲波清洗的影響規律， 而最后的清洗效果，以及對于最佳的清洗參數要取決于超聲波清洗對象。Svetsky S[36]等對超聲波清洗后的實驗電路板進行檢測，主要檢測：污漬殘余、清洗劑殘余以及導電情況。Leite F P[37]等比較研究了不同腐蝕時間，氫氟酸腐蝕清洗以及超聲波清洗對樹脂與長石陶瓷微拉伸結合強度穩定性的影響， 最后發現清洗時間對結合強度無顯著影響，而超聲波清洗提高了結合強度的穩定性。 Kim T H[38]等則直接從微觀上探究空化氣泡破裂時的潰滅機制，發現空化氣泡的破裂時的振蕩行為有：體積振蕩、形狀振蕩、分裂和混沌振蕩4 種類型，而其中氣泡的分裂和混沌振蕩會造成半導體等電子材料表面損壞。孔祥禎[39]等則是在不同的清洗功率，清洗溫度以及清洗劑的濃度下對電路板進行超聲波清洗，先通過Matlab 計算得出超聲功率在900 W，清洗溫度60 ℃以及1∶100（w/w）的清洗液濃度時清洗效果最佳，實驗清洗同樣也發現提升溫度對清洗效果有顯著提高，而隨著溫度的繼續升高影響了清洗液的溶解力使得同等濃度下的清洗效果下降，而且會燒蝕電路板。 加大功率清洗則會對電路板造成腐蝕損壞。

2 超聲系統的研究

清洗槽、換能器以及超聲波發生器是組成超聲波清洗機必不可少的一部分（如圖5 所示）。 設備研制的重點在于清洗機的超聲換能系統，即由超聲波電源與超聲波換能器組成的系統，二者之間的相互匹配問題是超聲系統研發的主要問題。

2.1 超聲波換能器

1917 年，Langevin P 發明了夾心式壓電換能器（如圖6 所示），1933 年磁致伸縮式換能器以高強度、高穩定性代替了壓電換能器，直到1950 年代，Jaffe 等采用鋯鈦酸鉛（PTZ）作為壓電材料，發現其具有更高的機械強度以及機電轉換率。1956 年，Mason M P[42]發明了超聲變幅桿與壓電換能器連接獲得更大的振動位移和幅值，起到聚能高效傳遞能量的作用。

圖5 超聲波清洗機主要結構Fig.5 Main structure of ultrasonic cleaning machine

圖6 夾心式壓電陶瓷換能器Fig.6 Sandwich piezoelectric ceramic transducer

換能器所產生的聲場分布情況將直接影響超聲波的空化效應，另外，換能器的指向性和阻抗匹配問題也是換能器技術的關鍵，換能器的指向性指的是換能器的發射響應與接受響應隨幅值的方位角變化而變化的一種特性，它反映了超聲波的聲場分布以及在換能器主軸方向的集中程度。Elko[43]等提出通過計算機計算測量源與接收器之間傳遞函數的譜密度方差的新方法來測量換能器的指向性， 此種方法具有一定的局限性，容易受到外界因素的影響產生誤差。 郭世旭[44]等采用基于四元十字陣的測量方法測量并驗證換能器的指向性，利用四元十字陣的延時誤差對換能器進行定位，確定十字陣陣元與換能器的相對方位關系，進而確定換能器的指向性。Moulin E[45]等分析了換能器的相互作用對指向性的影響，為實際使用中超聲換能器的陣列方式提供參考。王丹[46]等研究了柱狀線陣列換能器的指向性，探討換能器陣列方式、間距、數目對指向性的影響，得出換能器過多，陣元間距小會影響換能器陣列的整體聚焦性，換能器的集中程度下降的影響。 關于換能器的阻抗匹配則關系到換能器的電聲轉換效率，Silva F G S[47]提出一種基于多諧振電路的無開關多頻帶阻抗匹配網絡技術，該方法能夠在指定頻率下提供短路和開路條件，從而使電容器和電感能夠或不能形成多頻帶阻抗匹配網絡。 韓麗軒[48]等對傳統LC 型匹配電路進行改進，增加可調元件對換能器進行匹配失調補償，并開發了參數化設計軟件。

2.2 頻率自動跟蹤技術

設備運行時，清洗槽底部的換能器能良好的傳遞并轉換超聲波電源發出的激勵信號，系統處于最佳工作狀態，稱為諧振工作狀態，此時換能器輸出的工作頻率為諧振頻率。 然而由于負載的變化以及設備老化等問題，陶瓷元件的介電損耗增加使得諧振頻率發生偏移，造成超聲波電源與換能器不匹配而大大降低清洗效率，甚至縮減系統使用壽命。

為了換能器的吸收，功率能夠隨負載的變化而變化，使換能器一直處于諧振工作狀態，因此借助算法實現超聲波發生器對頻率的快速跟蹤[49]。 頻率跟蹤（如圖7 所示）就是將換能器諧振頻率的偏移反饋給控制單元，重新匹配激勵信號給換能器，使換能器工作狀態始終接近諧振頻率。 目前已經有多種實現頻率自動跟蹤的控制電路：鎖相環集成電路、電流動態反饋電路、最大功率檢測電路以及差動變量器橋式電路[50]等。

圖7 頻率跟蹤策略Fig.7 Frequency tracking

超聲換能系統是非線性的系統，很難得到精確的數學算法模型，傳統的算法冗長復雜，滿足不了控制精度，這也是頻率跟蹤技術一直面臨的問題，廖曉輝[51]等將比例-積分控制（proportional integral controller）與模糊動態模型（fuzzy dynamic model） 控制相結合的模糊PI 控制算法來提高頻率跟蹤系統參數自整定能力。Jittakort J[52]等結合鎖相環電路控制采用非對稱電壓抵消的方法來控制輸出功率使得清洗過程中逆變器的開關頻率自動調整，以保持負載參數變化時的滯后相位。張青[53]則在此基礎上分別試驗對比分析模糊PI 控制、比例-積分-微分控制（proportional integral differential controller）以及基于魯棒控制理論的前饋控制算法的控制效果，結果表明模糊PI 控制算法的控制效果非常穩定，具有很高的自適應性能。 魯棒控制雖然具備更高的控制精度和穩定性，但算法過程很復雜，對超聲波電源有較高的硬件要求。

3 超聲波清洗機的應用

由于清洗對象的不同，清洗設備的種類也多種多樣，例如有的體積小設備結構簡單，有的則大到需要依靠龍門吊吊裝輔助。超聲波清洗不再僅局限于工業生產中，近年來，在工業維護領域以及再制造行業中應用越發廣泛。 汽車廢舊發動機在制造行業，采用超聲波清洗清理積炭機油等污漬[54]，利用聚能式超聲波清洗技術清理航空飛機的空濾、油濾等納污能力強的物件[55]，采用超聲波氣相清洗技術清洗高壓電網[56]。 株洲機車在動車檢修過程中也運用超聲波清洗，解決濾網、牽引變流器等一些復雜部件人工清洗效率低的缺陷[57]，一些軸承如航空發動機軸承這種高精密零件的清洗，傳統一般采用以汽油為清洗介質人工清洗，清潔度不高，而且汽油揮發對清潔人員的身體有危害，超聲波清洗的應用就能使得軸承在不損壞的情況下實現高效清洗[58]，劉春[59]等將超聲波技術結合流體運動設計的清洗設備用于解決飛機異性管道內污垢清理難的問題。

4 結論與展望

1） 超聲波清洗技術的研究與應用近年來得到了很大的發展， 研究者在空化效應研究方面取得了眾多成果，然而，超聲波在液體中除了會產生空化效應外，還會產生乳化、熱效應以及化學效應，這些效應的產生機理，以及對空化效應是否有影響也需要進一步深入研究。

2） 關于空化效應中微射流效應，近幾年才開始探究，由于微射流效應的過程復雜而短暫，目前的研究處于影響觀測以及數值模擬的階段，缺乏一定的實驗探究，需要對其原理以及影響因素進行研究，進而提出相應的有益于提高超聲波清洗效果的方案。

3） 不少學者對空化強度的概念表述提出了質疑， 認為當前空化強弱的術語以及強度的測量方法有待商榷，因此應該對于空化強弱概念的進行探討，建立一套標準的概念以及合適的測量手段。

4） 超聲波清洗設備廣泛應用于眾多生產領域，但在工業維護領域中，針對一些清洗對象，不同的部件結構和功能不同，應用超聲波清洗的技術參數也不同，在清理場地須配備多臺清洗設備，成本太高，還有一些清洗對象，體積大、結構系統復雜，在清理時需要一件一件拆卸下來，耗費大量的人力物力。 因此，以后的超聲波清洗機應朝著更加智能化的方向發展，在清洗前對部件的結構、污染物、功能等進行檢測并自動匹配清洗策略。

5） 在完成清洗后，超聲波可能對部件造成損傷，而這些損傷并不容易察覺。 在清洗完成后可以借助超聲波探傷技術，對清洗部件進行探傷檢測。

6） 設計研發在線超聲波清洗設備，即針對汽車、列車、飛機等大型清洗對象，無需拆卸即可對部件進行超聲波清洗；同時，為節約水資源，實現環保清潔，設計無水基超聲波除垢裝置也具備良好的應用前景。