● 摘要
超声清洗是功率超声应用中最为广泛的一种，它具有清洗速度快、清 洗质量高、成本低且易实现自动化等优点。超声清洗的物理机制是超声空化、冲 击波、微声流以及清洗液本身的振动效应，而空化作用被认为是超声清洗的主要 物理机制。超声空化的强弱与声学参数（诸如声强、频率等）和清洗液的物理化 学性质（诸如清洗剂的去污能力、表面张力、蒸汽压、黏度等）有关，要达到良 好的清洗效果，必须要选择适当的清洗液和声学参数。除此之外，超声清洗槽内的 声场分布以及盛放被清洗物件的网篮对清洗效果的影响也是非常关键的因素。清 洗槽内的声场分布比较复杂，它直接受到辐射声源的布阵方式和反射面的影响。 被清洗物件一般不直接放置在超声清洗槽内，而是悬挂于专用的支架上悬于清洗 液中或放置在专用的清洗网篮里。这样一则使被清洗物不直接压在清洗槽底而抑 制超声波的辐射；二则可以保护超声清洗槽底面不被尖利的清洗物件划伤而由于 超声空化腐蚀缩短其寿命；三则有利于被清洗物的取放而使操作人员不必在每次 清洗中将手伸入清洗液中。显然，被清洗物悬挂于清洗液中最为理想，而网篮则 会影响声波在清洗液中的传播，使超声能量有大小不同程度的减弱。然而对单个 体积较大的被清洗物件的清洗用悬挂的方法比较经济适用，但对成批量的被清洗 物件，尤其是碎小零部件的清洗则适于用网篮盛放。鉴于此，本文在分析活塞声 源辐射声场特性的基础上，从理论和实验两方面入手研究了实验中所用清洗槽内 的声压分布特性以及网篮对超声清洗槽内声场的影响，这对使用清洗网篮的超声 清洗具有重要的意义。 论文的主要研究内容以及得出的主要结论如下： （1）对单个圆形活塞声源的辐射声场特性进行了分析，推导了组合活塞声源的 辐射声场，得出了其远场辐射声压幅值与距离r成反比，且与θ和φ有关，说明 声压出现指向性。 （2）设计并制作了简易水听器，分析和测试了水听器的各项性能。 （3）从一维平面波理论入手分析了超声清洗槽内的声场分布特性，用水听器法 和染色法测量了清洗槽内的声场分布。结果表明，清洗槽内液面水平方向上的声 压分布比较均匀，而液面垂直方向上的声压由槽底到液面呈起伏变化，显示了驻 波特性，总体上有逐渐减小的趋势，这说明了声波在传播过程中有一定的衰减， 实验测量的声压分布和理论分析的结果比较一致；在此基础上用水听器法和染色 法测量了网格对声场分布的影响，结果表明，网格的存在对声场分布的影响较小， 只是引起声传播能量不同程度的衰减；网孔越小的网格对声场的影响越小；同一 网格放在声场中距离槽底二分之一波长附近时对声场的影响比放在距离槽底四分 之一波长附近时的大。 （4）用水听器测量了不同情况下网格的插入损失。结果表明，对于网孔大小相 同的网格，丝径越大的插入损失越大；对于丝径相同的网格，网孔越大的插入损 失越小；对于不同的频率的情况，网格在20kHz的超声清洗槽中的插入损失比 27kHz的大；对于网格位置固定而测点上移的情况，相对于λ/4、3λ/4等位置的插 入损失较小，而相对于λ/2位置附近的插入损失较大；随着测点的上移，插入损失 有减小的趋势。对于测点固定而网格上移的情况，随着网格上移，插入损失有增 大的趋势。 总之，在网格丝径比波长小很多的情况下，网格的存在使得声波的传播能量 有不同程度的衰减。而且实验中并未发现由于网格的存在而使声压变大的现象， 这也说明了网格的存在确实不同程度的引起了声波传播能量的损失。