聚焦超声清洗机的仿真设计与实验研究

目前,超声清洗机通常是将一组换能器排布于平面式清洗槽底部,但用此方法会形成驻波现象,不利于超声清洗。文章提出了一种球面式聚焦超声清洗的方法,与普通超声清洗相比,该方法提高了超声清洗的效率。文章采用有限元COMSOL Multiphysics软件对清洗机内声场进行分析,得到三维模型内声压的分布情况;研制了聚焦超声清洗机,并通过薄膜腐蚀实验验证了清洗机内的声压分布情况;通过对比试验发现,聚焦超声清洗油污的速度比普通超声清洗提高了77.27%。通过薄膜腐蚀实验和超声清洗实验可知,聚焦超声清洗机内声场分布均匀,且声场内存在能量聚焦区域,清洗速率高于普通超声清洗机。     

两种超声清洗槽的声场分布比较

本文作者设计了一种斜底式超声清洗槽，并通过实验研究了它的声场分布，与平底式超声清洗槽相比，这种新型清洗槽深度方向的声场均匀性得么了改善，但水平方向的声场均匀性变化不大。     

“调频宽带超声清洗技术的研究”通过鉴定

由中国科学院东海研究站承担的上海自然科学基金项目:“调频宽带超声清洗技术的研究”于1992年6月10日通过上海市科委组织的专家鉴定。 专家们认为调频超声清洗是一项新技术,测试结果表明:此项技术对改善清洗槽内的声场均匀性、消除驻波场和提高清洗效果有较明显的作用,把此项技术用于超声清洗机属国内首创。 研制组现场演示了他们研制的UC-40500调频超声清洗机。该机经上海红星轴承厂、瑞金医院和上海第六电表厂试用,认为适用于清洗有一定批量的机加工零件、医疗器械和仪表元件。特别适用于清洗形状复杂的精密物件。具有清洗效果好、工作…     

两种超声清洗槽中的声场研究

本文对两种超声清洗槽中声场的均匀程度、超声频谱及换能器辐射阻抗进行了研究。一种是由夹心式换能器纵向振动通过清洗槽底向槽中辐射产生的声场,另一种是由夹心式换能器激发矩形薄板产生弯曲振动通过槽底向槽中辐射的声场。     

圆台型自聚焦超声压电换能器研究

对圆台型自聚焦超声压电换能器辐射声场分布进行了数值计算,分析了圆台换能器几何参数小端半径b、大端半径a以及高度h对轴向声场以及焦平面声场分布的影响。结果表明:圆台型自聚焦超声换能器轴向声场为振荡分布,声强平均值较高,存在一组最佳参数对应于最佳的聚焦效果,而径向声场分布比较均匀,焦平面有效半径小,受参数影响较小。     

超声波清洗在替代ODS清洗工艺技术中的独特作用

文章通过分析超声清洗技术的原理、特点及其所具有的环保优势，并将超声清洗技术与其它清洗技术进行对比，阐述了超声波清洗在替代ODS清洗工艺技术中的独特作用；通过分析影响超声清洗效果的主要因素，如超声的声强、频率和声场分布，清洗液的粘滞系数、表面张力和流动性，清洗介质的理化性质与清洗能力等，提出了确定超声空化强度和选择清洗介质的基本原则；介绍了超声清洗方式的分类与选择，以及用超声清洗技术替代ODS清洗技术时应该注意的一些问题，指出大功率超声参量与清洗介质物理化学性能参量之间的相互作用对清洗效果有着重要的影响。     

超声波声压测试仪的研制

以驻极体传声器为超声波传感器,研制出超声波声压测试仪;实验表明,采用该测试仪测量水下超声波声压相对值,数据可靠;该测试仪主要应用于超声清洗设备清洗液中的声场分布的测量,以及超声波清洗设备制造时匹配电感的选取、超声发生器谐振频率调整过程中声场强度的测量。     

脉冲波声场的数值计算与测试研究

针对超声检测中影响缺陷定量准确性的声场问题进行了深入讨论,研究了脉冲波声场的计算方法,设计了相应的计算软件并绘制出实用换能器声轴线上的声压分布曲线,分析了不同材料和厚度的采样回波对频谱的影响,比较了连续波声场和脉冲波声场的分布特性及异同点。对脉冲波声场的测试结果表明,数值计算和实测结果有较好的一致性。本研究结果为提高超声检测中缺陷定量的准确性和科学性提供了依据。     

大功率低频超声场测量研究进展

大功率低频超声场的主要特点是有空化产生，这给声场定量测量带来困难，而该类声场的测定是超声清洗、声化学等超声液体处理技术中的基本问题，掌握声场分布和空化强度的信息对于衡量超声系统的性能及其处理效果至关重要。文章综述了迄今用于测量大功率低频超声场的各种方法，将其分为直接测量方法和间接测量方法两大类进行阐述，介绍了每种测量方法的基本原理，并对各自的优缺点进行了对比分析。最后介绍了一些国内外的相关测量设备，结合大功率低频超声场测量领域目前的研究现状，探讨了今后该领域急需解决的问题及其发展方向。     

空化噪声谱的分离

提出了一种用于分析超声空化声场的分离法,应用该方法研究了低频超声清洗声场,并和常用的谱级分析法进行比较。结果表明该分离法能直观地反映出空化的强弱,可以较细致地对瞬态空化和稳态空化进行比较分析,而且便于对空化声场的非线性过程进行更深入地了解,这对于研究声能量对物质的作用机制具有一定意义,此外也表明Frohly等人在研究了高频超声空化声场后所得出的表征空化活动强弱的指标同样适用于评判低频超声场。     

基于声功率的液体中大功率超声场的评价方法

为解决超声清洗中超声设备性能的评价,以及工程应用中超声强度的选取和控制问题,提出了一种根据声功率大小来测定声场强度的评价方法。制作了一个专门的超声清洗系统,并用瓦特计法测定清洗液中得到的声功率,同时用一个探头从清洗液中提取信号;通过测量清洗液中的声功率与探头输出信号电压间的关系,用数字形式来显示超声场强度。用此法对不同清洗槽进行测量,结果表明,该方法可以作为工程中大功率超声场的一种评价方法。     

基于有限元法的管形振子声场特性研究

利用有限元分析软件ANSYS,对管形振子的振动模态及在清洗槽中的辐射声场进行数值计算分析,并用铝箔腐蚀的方法记录了管形振子的声场分布情况。结果表明基于线性理论的ANSYS软件能够较好地预测低强度的超声场;管形振子在清洗槽中的辐射声场在径向方向出现驻波,驻波沿管形振子的轴向间断出现,驻波数等于振子的半波长数,此外作耦合振动的管形振子和非耦合振动的振子相比其辐射的声场更均匀,表明这种新型辐射器有很好的应用前景。     

超声强化超临界二氧化碳除锈除油污

结合超声清洗的优势与超临界二氧化碳的特性,设计出超声强化超临界二氧化碳复合清洗实验平台,超声换能器最大发射声功率为1 200 W,换能器每工作10 s停止20 s,即一个工作周期为30 s。利用实验平台开展了CD03钢片表面除锈实验,使用ZEISSMerlin高分辨率热场发射扫描电镜对CD03钢片表面进行扫描电子显微镜(Scanning Electronic Microscopy, SEM)和能谱(Energy Dispersive Spectrometer, EDS)分析,实验结果表明,随着清洗时间的延长,铁锈在超声作用下逐渐剥落,超声作用适当的工作周期数后,清洗效果达到最佳,超声作用时间太长会造成对钢片基体的损伤。利用实验平台开展了碳钢片表面油污清除实验,使用徕卡光学显微镜对清洗后的碳钢片做表面形貌观察,利用JA2003电子天平等手段对清洗效果进行了计算分析,同样,超声强化超临界二氧化碳油污清洗也存在一个最佳清洗时间。但是,不同污染所需的最佳清洗时间不同,甚至可以相差很大。在实际的清洗中要先根据污染物的类别确定最佳清洗时间,然后进行清洗。     

声流条件下超声空化气泡分布研究

研究了频率为 20 kHz的超声作用在圆柱形料腔中出现声流现象时超声空化效应的空间分布特性。结合大振幅声源条件下的声辐射力,对声场内的声流现象进行了仿真分析,获取了不同超声功率和液位高度下的声流速度场分布,初步探究了声流条件下空化气泡的运动分布规律。采用超声空化效应的声致化学发光实验,对比研究了有、无声流条件时超声空化效应的空间分布特性。结果表明：功放电流高于 80 mA(电功率为 17.6 W)时,超声场可形成稳定的声致流动现象且可有效提高其声能辐射效率,大大增加了空化效应的作用区域,进而提高了声化学反应效率;声流条件下料腔内超声空化效应的分布区域与超声功率(振幅)、料腔液位高度相关,功放电流从 40 mA(电功率为8.8 W)增加至 120 mA(电功率为 26.4 W)时,空化面积占比提高了 100.86%,液位高度为 60 mm时的空化面积占比较50 mm和 70 mm时分别提高了 13.11%和 73.91%,提高超声功率及选择合理的料腔液位高度,可有效提高空化气泡扩散距离,增大空化分布面积;对于固定形状及尺寸料腔中的声场,声流速度达到一定阈值时,会出现空化效应增强,空化效应增强区域位于大于声流速度阈值的区域内;空化气泡的扩散分布与声流速度场密切相关,表现为随声流速度场的变化在料腔中部沿径向扩散、沿变幅杆轴向且在料腔底部沿径向扩散、沿变幅杆轴向扩散三种扩散分布模式。     

柱形料腔中超声空化效应的空间分布特性研究

研究了20 kHz的圆柱形料腔中超声空化效应的形成及其空间分布特性。应用柱贝塞尔函数,推导获取了柱形声场内超声传播的声能密度的分布,并采用有限元方法进行仿真分析。针对频率为20 kHz的功率超声实验,结合声学测量方法和鲁米诺声致化学发光方法,对理论分析结果进行了验证对照。结果表明:料腔半径R=50 mm,20 kHz谐振液位高度H=90 mm时,若功放电流<40 mA,超声空化效应出现在变幅杆端部区域;若40 mA≤功放电流≤80 mA,空化效应显著增强,空化效应的空间分布与场内声压分布一致,空化效应受声模态影响,形成远场空化效应的分布特性;若功放电流>80 mA,受非线性因素影响,谐振液位时,空化效应在声流作用下呈柱形拖尾状分布,并在底部壁面边界形成平铺状分布;非谐振液位高度等于75 mm时,超声空化效应随功率增加仅在变幅杆端部区域出现,且呈现局域空化分布特性。     

基于超声驻波场的水下颗粒操控研究

超声波产生的声辐射力可以实现对微小物体的操控。针对微米尺度颗粒在液体环境的操控问题,基于黏性介质中的声辐射力理论,建立由双凹球面聚焦超声换能器驱动下的水下颗粒操控模型。利用COMSOL软件仿真了模型的声场、声流场及颗粒操控动态过程,最后通过水下颗粒操控实验对仿真结果进行验证。研究发现,颗粒在水下操控过程受到声辐射力与声流曳力的共同作用,由声波干涉作用形成的局部驻波场主要依靠声辐射力将颗粒团聚在波节位置,但随着颗粒尺寸的减小,颗粒无法继续束缚,颗粒操控将由依靠声辐射力转变为声流曳力。此外声场强度的增加会增强颗粒操控的抗扰动能力。     

超声清洗法回收冷轧厂磁过滤物中的纳米铁粉

研究一种冷轧厂磁过滤物中纳米铁粉的回收方法,采用超声清洗法除去铁粉表面的油污,得到纯净的纳米铁粉,通过试验研究超声频率、功率密度、清洗温度对除油效果的影响,采用X射线衍射和扫描电子显微镜对铁粉产品进行表征。结果表明,相对于机械搅拌清洗,采用超声清洗含油铁粉,可提高清洗液的除油能力;超声频率为40 kHz,功率密度为0.44 W/cm2,清洗温度为40℃时,用清洗液清洗4次,每次清洗时间为20 min,用去离子水漂洗至澄清,真空干燥5 h,所得纳米铁粉中铁元素的质量分数为95.75%。