深度理解超声波清洗机的原理是什么

超声波清洗机的工作原理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，并通过清洗槽壁将超声波辐射到清洗液中。‌在超声波的作用下，清洗液中的微气泡会保持振动，并在气泡闭合时产生冲击波，从而破坏不溶性污物，使其分散于清洗液中。下面让我们来深度理解一下吧：

01什么是超声波

我们知道，声波是一种通过介质（如空气、水和金属）传播的振动。

那么超声波又是啥？
其实，超声波定义为“人类听不见的高频声音”，其频率一般超过20 kHz。正常人的听觉可以听到20-20000赫兹的声波，大象和牛等动物可以听见。低于20赫兹的声波被称为次声波或者亚声波，超过20000赫兹的声波称为超声波，蝙蝠海豚等可以听见。在20Hz-20kHz之间为人耳可听见波，频率低于20Hz为次声波。

超声波有纵波、横波和表面波等类型。
在固体中，同时存在两种类型的弹性波。一种其位移方向与波的传播方向相同，称为纵波或密度波；另一种位移方向与波的传播方向垂直，称为横波或剪切波。

在超声波清洗中，频率可以在 20 KHz 到200 KHz 之间变化。
那么超声波是如何产生的？
目前超声波的产生主要利用逆压电原理和磁滞伸缩原理。
压电材料在通高频电流时，会产生高频伸长和回缩，这种高频长度变化其实是高频振动。磁滞伸缩也是类似的，铁磁材料在高频变化的磁场作用下会产生高频振动，这是超声产生的基础。

02什么是空化
在理解超声波清洗原理前，我们需要明白一个概念：超声空化

什么是超声空化？

超声空化其实是一种物理现象，它包括液体内部数百万个微小蒸汽气泡的循环形成、膨胀、破裂和内爆。
声波的传递依照正弦曲线纵向传播，即一层强一层弱依次传递。当弱的信号作用于液体中时，会对液体产生一定的负压，使液体内形成许许多多微小的气泡。当强的声波信号作用于液体时，会对液体产生一定的正压，因而液体中形成的微小气泡被压碎。

研究表明，超声波作用于液体时，液体中每个气泡的破裂会产生能量大的冲击波，相当于瞬间产生几千度的高温和高达上百个大气压，这种现象被称之为空化效应。超声波清洗正是应用液体中气泡破裂所产生的冲击波来达到清洗和冲刷工件内外表面的作用。
那么为什么负压作用于液体时，会产生“气泡”呢？
空化气泡和烧水产生的气泡有所不同，空化是当液体在恒定环境温度下经受减压时形成液体气相的现象，因此空化是由于压力降低而不是热量增加而导致的液体沸腾过程。
我们平常看到液体沸腾是因为加热液体使温度升高，其实当温度不变时，如果降低液体压力，也会产生沸腾现象，这个我们在中学物理中其实就已经学过，比如高原地带水的沸腾温度会降低就是因为高原地带大气压要低些。
而如果你将一个空瓶装满常温水，然后不断抽空瓶中的空气，你会发现瓶中常温的水在一段时间后居然沸腾了，其实是一样的原理。
深层次原因为：液态水分子之间通过氢键结合，而这种结合在温度升高或者压力降低时会被破坏，导致水气化蒸发。而水分子内部是靠O-H共价键结合起来的，破坏它需要较高的能量，所以水蒸气中还是H2O分子。

总体来说，空化分为两个阶段。
第 1 阶段，在液体内部，减压作用和温度逐渐升高，会产生大量微小的充满蒸汽的气泡，在这个阶段，气泡增加并达到最大膨胀。

空化气泡产生与爆破过程

第 2 阶段，在液体内部，气泡中所含气体的压缩作用和随之而来的温度升高导致气泡破裂，直至内爆。每次内爆都会将其能量释放到浸入物体的表面，并充当无数去除杂质的微刷。
03超声波清洗的原理
有了对“空化”的理解，我们现在就很容易理解超声波清洗的原理了。
当超声波在水中传播时，会产生压缩波峰和波谷。微小气泡在压力低的波谷中形成，并由于高压而在波峰中破裂。当气泡破裂时，一股小而强大的液体射流会冲入破裂的气泡所在的空间。这些喷射液流在要清洁的零件表面上产生强烈的清洁作。清洁发生在任何有气泡的地方、整个罐体、空腔内和复杂结构的周围。清洁速度快，可去除所有污染物。

低频不能有效去除微小颗粒，表面有微小的凹槽，颗粒可以进入其中。
以下是一些使用的频率范围及其应用。
20 kHz – 40 kHz：用于一般清洁目的，清洗大而笨重的材料。
60 kHz – 80 kHz：此范围可有效去除微小颗粒而不会对零件造成损坏。通常用于清洁半导体、磁盘驱动器、手表和其他精密零件。
100 kHz 及更高频率：包括1 MHz在内的高频，具有更温和的空化效应，适用于清洁硅晶片。
关于超声波清洗，其实还有很多可以探索的地方，比如清洗液，清洗温度，清洗机类型等。

摘要：

超声波清洗机利用超声波在液体中的空化作用来清洗物体表面的污垢和杂质。具体过程包括以下几个步骤：

1. 超声波发生器将电能转化为高频电能；

2. 换能器将高频电能转化为超声波机械振动；

3. 这些振动通过清洗槽壁传递到清洗液中；

4. 在液体中传播的超声波会形成无数微小气泡，这些气泡在压力作用下不断形成和破裂，产生强大的冲击力，从而剥离物体表面的污垢。