超聲波清洗機是如何工作的？

電子發燒友網報道（文/黃山明）在我們清洗眼鏡時，經常會遇到一些問題，比如無法有效清洗上面的油漬，角落中的污垢也很難被清洗干凈。而使用超聲波清洗機，不僅能夠方便的對眼鏡、飾品等小物件進行清洗，并且可以進行全方位徹底的清潔，但超聲波清洗機是如何工作的呢？

超聲波清洗機的發展歷史

超聲波清洗機的發展歷史可以追溯到20世紀初，自1880年居里兄弟發現壓電效應以來，壓電學成為現代科學與技術的一個重要領域。然而，壓電換能器最早應用于工程是僅作為濾波器件的石英晶體諧振器，而壓電效應在工程中應用也只局限于水聲和電聲器件。

在第一次世界大戰期間，法國著名物理學家保羅·朗之萬發明了“鋼-石英-鋼”結構的夾心壓電換能器，并成功地在水中進行了發射和接收超聲波的實驗，這是人類首次對超聲波技術的應用展開研究。

然而，真正的超聲波清洗技術研究始于20世紀50年代，當時H.B.Miller對換能器做出了巨大改進，發展了加預應力的復合換能器，為功率超聲波技術的工業應用奠定了基礎。在這一時期，超聲波清洗技術主要應用于電子、光學和醫藥等領域。由于其強大的實用性和廣泛的應用范圍，從大型機械零部件到小型半導體器件等的清洗，久而久之被俗稱為“無刷清洗”。

然而，此技術的廣泛應用并非一帆風順。盡管超聲波清洗機已經有了30多年的歷史，日本在25年前就開始使用，但一個誤解一直困擾著這項技術，使人們懷疑超聲波清洗器的效果。

傳統的超聲波清洗器理論認為，氣泡起到了清洗的作用。但科學家經過反復試驗發現，事實上，氣泡只是由超聲波的強力粗密波引起的單純的氣體爆發而已，它反而會抑制甚至消除超聲波清洗器的清洗力，真正發揮清洗作用的是真空的氣穴。

日本清洗工程研究會創始人柴野佳英在1987年公開發表了這一超聲波清洗的基本理論，并根據這一理論研制出了技術領先的超聲波清洗設備。

隨著應用范圍的擴大和科技的進步，超聲波清洗設備也在不斷發展和改進。傳統的超聲波清洗設備由于自動化程度不高而難以保證零件清洗的均勻性，近年來逐漸出現了自動化程度高、靈活性強的自動化超聲波清洗設備。

如今，超聲波清洗機更是進一步進入到人們的生活中來，幫助清洗一些結構復雜，難以清理的物件。

超聲波清洗機的工作原理

工作原理上，超聲波清洗機主要是通過換能器將功率超聲頻源的聲能轉換成機械振動，通過清洗槽壁將超聲波輻射到槽子中的清洗液。

由于受到超聲波的輻射，使槽內液體中的微氣泡能夠在聲波的作用下保持振動。這些微氣泡在破裂時會產生強大的沖擊力，從而將污垢和油脂從被清洗物表面及內部分離。

同時，超聲波在清洗液中傳播時會產生正負交變的聲壓，形成射流，沖擊清洗件。并且由于非線性效應會產生聲流和微聲流，而超聲空化在固體和液體界面會產生高速的微射流，所有這些作用能夠破壞污物，除去或削弱邊界污層，增加攪拌、擴散作用，加速可溶性污物的溶解，強化化學清洗劑的清洗作用。

具體而言，當液體被利用時，將產生氣泡，并且當液體被壓縮時，氣泡將被壓縮，它會被粉碎和破碎，這便發生了著名的“超聲波空化效應”。在空化效應中，氣泡閉合的瞬間產生沖擊波，使氣泡周圍產生巨大的壓力（1012-1013pa）及局部調溫，這種超聲波空化所產生的巨大壓力能破壞不溶性污物而使他們分化于溶液中。同時，蒸汽型空化對污垢的直接反復沖擊也有利于污漬的清除。

此外，超聲波清洗也利用了超聲波在液體中的空化作用、加速度作用及直進流作用對液體和污物直接或間接的作用。這樣可以使污物層分散、乳化、剝離，從而達到清洗目的。

值得一提的是，超聲波清洗機中的換能器起著至關重要的作用，它是一種能量轉換器件。它的主要功能是將輸入的電功率轉換成機械功率（即超聲波）再傳遞出去，而自身消耗掉的功率很少（小于10%）。

具體來說，換能器將功率超聲頻源的聲能轉換成機械振動，通過清洗槽壁將超聲波輻射到槽子中的清洗液。由于受到超聲波的輻射，使槽內液體中的微氣泡能夠在聲波的作用下從而保持振動。

當使用超聲波換能器時，最需要考慮的問題是與輸入輸出端的匹配，其次是機械安裝和配合尺寸。此外，換能器產生的振幅極小的高頻震動并傳播到清洗槽中，通過機械能作用將產品的污物清除，提高產品潔凈度。

小結

超聲波清洗機通過一種被稱為“空化效應”的原理來清除污漬，而不是利用氣泡。未來隨著技術的不斷進步和市場需求的不斷增長，超聲波清洗機將會在更多領域得到應用，同時也會更加環保、高效和智能化。