悬吊式超声波—低频振动联合清洗方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供悬吊式超声波—低频振动联合清洗方法与装置，令悬吊的清洗槽在受迫振动下发生液面随机变化，抑制清洗液内超声波驻波对清洗的负面影响。装置包括超声部分、低频振动部分、悬吊清洗槽，提供2组低频信号，经功率放大器分别激励固定于2组清洗槽侧壁外的低频振动换能器，激发2组相对竖直侧壁共振，低频振动的差频振动引发液体晃动，令清洗液不稳定晃动、液面混乱波动和破碎，液面随机反射超声波以扰乱清洗液内超声波驻波位置，令清洗均匀并延长被清洗物寿命。侧壁共振时清洗液喷溅并形成侧壁‑顶盖‑清洗液的回流，兼有驱除清洗槽内气泡的作用，且条件适当时能省略1组低频振动。本发明专利技术具易实现、绿色清洁、成本低、硬件兼容性强的特点。

The method and device of hanging ultrasonic and low frequency vibration combined cleaning

【技术实现步骤摘要】
悬吊式超声波—低频振动联合清洗方法与装置
本专利技术属于超声清洗领域，是超声波与低频振动共同作用下的物理清洗。
技术介绍
超声波清洗是满足绿色发展的时代需要的实用清洗技术，利于环境保护，减少化学品的应用，对孔洞、微孔和凹槽等的较彻底清洗是相对于其他清洗方法的突出优点。超声波清洗多在清洗槽内进行，固定于清洗槽壁的超声波换能器在超声频电源激励下产生超声频振动，在耦合至清洗槽壁向槽内清洗液中发射超声波。因为超声波会在声阻相差较大的界面上反射，如清洗液-清洗槽壁、清洗液-空气，令清洗液中形成封闭声场，故多数超声波清洗装置基于清洗槽设计。理想的超声波清洗是超声波均匀作用在被清洗物表面，而矛盾是静水中的封闭超声波声场存在驻波，驻波波节与波腹分别在被清洗物表面有极小值和极大值声压，导致实现清洗的超声波空化作用不均匀施加在被清洗物表面，也即清洗效果受超声波驻波影响，位于驻波波节上的被清洗物清洗强度不足，驻波波腹则可能造成清洗物局部受损，易损坏超滤膜、丝绸等材料。
技术实现思路
本专利技术在于利用低频振动和液体晃动改变清洗槽内液面形态来抑制超声波驻波对超声清洗的负面影响，同时在清洗槽内制造液体流动，形成悬吊式超声波—低频振动联合清洗方法与装置，以下为具体描述。在超声换能方面，由于大多用于超声清洗的超声波换能器为压电式的三层结构，并随温度变化而小幅度改变，这要求超声频电源提供不太偏离超声波换能器谐振频率的交变电压，频偏在1～2kHz内尚可接受，否则换能效率将急剧降低且导致超声波换能器发热严重。因而超声频电源的常见原理是将工频电压整流为脉动直流后，以自激震荡的方式令输出变压器次级与超声波换能器发生串联谐振，来实现对超声波换能器的激励和适应超声波的谐振频率。此时超声波换能器上电压波形为两组正弦波叠加的波群，即工频调幅的高频交变正弦电压，其中高频波列的频率近似于超声波换能器谐振频率。这种自激式超声频电源成本低、适应性强而被广泛应用。然而受工作原理限制，这种超声频电源工作时超声波是以最大功率发射，为实现平均功率的调整，人们采用启停频率较高(至少为10Hz)的启停控制来控制超声功率，而并非改变超声波的振幅，也即PFM方式，具有容易实现的优点。然而实际应用中，这样的启停控制不仅只改变占空比，超声频电源在反复频繁的通电、断电下也易故障，故障多发生在功率设定值接近“0％”或“100％”的情况下。尤其是以改变导通角调整功率时(如采用晶闸管)，启停频率为工频频率，与调整功率相关的元器件易在长时间工作下损坏，输入超声频电源的波形也不是正弦波而降低功率因数与制造谐波噪声。在降低驻波的负面作用方面，由于超声波在清洗液的传播速度很快，如在水中约为1500m/s，故清洗液中声场的建立非常迅速，难以基于现有超声波换能器的原理根除驻波，不断改变或扰乱超声波驻波位置成为降低超声波驻波负面影响的最直接方法。因此，人们大多采用补偿性的手段降低驻波对超声清洗的负面作用，目前实际应用中有两类主要方法。第一类是机械方法，如将被清洗物装入挂篮中，挂篮在清洗槽内上下运动，让波腹不断扫过被清洗物。第二类是多频式或相控阵方法，如采用不同频段的超声波换能器，同时或交替地通过清洗槽至清洗液，来制造密集的驻波波腹，或在相控阵控制下令超声波换能器阵列产生径向振动，令超声波驻波变得可控。上面两类多适用于污染严重的情况，适合于密度大、需要足够大的清洗强度、不易被空化作用损坏的被清洗物，如清洗油污或锈蚀的金属零件。另外还有扫频和利用泛音的方法。对于扫频方法，为了不造成太大的超声功率降低，只能以超声波换能器谐振频率为基频在1～2kHz的频带内作为扫频范围，这限制了实际效果，如水中40kHz超声波形成的理论波腹距离即半波长约1.88cm，而±1kHz的频率扫动只能让波腹在约1.9mm范围内摆动。对于泛音式方法，其原理为利用压电晶体谐振频率不唯一的特点，令超声波换能器在基频和泛音频率上交替工作，如果非基频的超声波具有确实的清洗效果，应能探测到非基频超声波驻波，但实际上几乎只能探测到基频超声波驻波。本专利技术针对现有方法不足之处，提供悬吊式超声波—低频振动联合清洗的方法与装置，下面为技术方案。悬吊式超声波—低频振动联合清洗的装置，其特征在于，包括超声部分、低频振动部分、清洗槽和悬吊架；超声部分由PWM-PFM发生器(1)、电子开关(2)、超声频电源(3)、超声波换能器(4)依次连接组成，超声波换能器(4)耦合于清洗槽(5)底部，令超声波由清洗槽底部垂直向上发射至清洗液内部；所述低频振动部分由低频信号源(7)、功率放大器(8)、2组低频振动换能器(9)依次连接组成，每组低频振动换能器包括两个对称设置的低频振动换能器(9)；低频振动换能器(9)固定于清洗槽(5)侧壁外将低频振动耦合至清洗槽(5)；所述清洗槽(5)内装有清洗液(6)并带有顶盖(10)，被清洗物浸没于清洗液(6)，清洗槽(5)由2～4根悬吊索(12)垂直吊在悬吊架(11)上。悬吊式超声波—低频振动联合清洗的方法为，在悬吊的装有清洗液的清洗槽侧壁外施加2组频率为20～700Hz低频振动，振动频率等于2组相对侧壁的共振频率，2组低频振动的差频频率为清洗槽内液体晃动固有频率；洗槽侧壁在低频振动激励下共振，近壁面清洗液液面破碎并喷溅至清洗槽顶盖，形成侧壁-顶盖-清洗液的回流；侧壁的振动引起清洗液形成自由表面波，2组低频振动的差频振动引发液体晃动，液体晃动改变侧壁液位导致侧壁间断共振；20～80kHz的超声波以0.5～3Hz的频率间断发射；清洗液在侧壁间断共振、液体晃动、超声波声压、清洗液回流的影响下，清洗液发生混乱的液面波动与破碎，和不稳定的液体晃动，令超声波被形态随机变化的液面反射，扰乱清洗液内超声波驻波位置。所述超声部分，其特征为，超声波为20～80kHz，以垂直于静水液面的方向向上发射，在清洗液中形成平均能量密度为0.025～1W/cm3的声压，从而在被清洗物表面产生空穴作用，清洗所述表面。为了令超声波间断发射，PWM-PFM发生器(1)产生频率为0.5～3Hz、占空比为0.1～0.9的开关信号，控制电子开关(2)的动作，令超声频电源(3)间断激励超声波换能器(4)制造间断的超声波，开关信号频率随占空比升高而升高。所述清洗槽与低频振动部分，清洗槽器型为长方体，相对的侧壁其尺寸、壁厚、材料特性相同，较短相对侧壁对较长相对侧壁的共振频率差异为5％以上，以确保低频振动的差频振动能够引发液体晃动，2组相对侧壁由2组共4个固定于侧壁外预期液位高度附近的低频振动换能器(9)分别激励，低频振动换能器(9)由低频信号源(7)通过功率放大器(8)驱动。进一步，当清洗槽水平截面长宽比大于1.2时，较短相对侧壁的低频振动部分可省略。为实现侧壁共振与液体晃动，所述低频振动的特征为，低频信号源(7)分别开环驱动2组低频振动换能器，为了引发液体晃动，在分别确定2组相对竖直侧壁固有共振频率后，在2组相对侧壁共振的状态下改变较短相对侧壁的低频振动频率，直至差频振动引发液体晃动，此时2组低频信号频率作为清洗时本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.悬吊式超声波—低频振动联合清洗装置，其特征在于，包括超声部分、低频振动部分、清洗槽和悬吊架；超声部分由PWM-PFM发生器(1)、电子开关(2)、超声频电源(3)、超声波换能器(4)依次连接组成，超声波换能器(4)耦合于清洗槽(5)底部，令超声波由清洗槽底部垂直向上发射至清洗液内部；所述低频振动部分由低频信号源(7)、功率放大器(8)、2组低频振动换能器(9)依次连接组成，每组低频振动换能器包括两个对称设置的低频振动换能器(9)；低频振动换能器(9)固定于清洗槽(5)侧壁外将低频振动耦合至清洗槽(5)；所述清洗槽(5)内装有清洗液(6)并带有顶盖(10)，被清洗物浸没于清洗液(6)，清洗槽(5)由2～4根悬吊索(12)垂直吊在悬吊架(11)上。/n

【技术特征摘要】
1.悬吊式超声波—低频振动联合清洗装置，其特征在于，包括超声部分、低频振动部分、清洗槽和悬吊架；超声部分由PWM-PFM发生器(1)、电子开关(2)、超声频电源(3)、超声波换能器(4)依次连接组成，超声波换能器(4)耦合于清洗槽(5)底部，令超声波由清洗槽底部垂直向上发射至清洗液内部；所述低频振动部分由低频信号源(7)、功率放大器(8)、2组低频振动换能器(9)依次连接组成，每组低频振动换能器包括两个对称设置的低频振动换能器(9)；低频振动换能器(9)固定于清洗槽(5)侧壁外将低频振动耦合至清洗槽(5)；所述清洗槽(5)内装有清洗液(6)并带有顶盖(10)，被清洗物浸没于清洗液(6)，清洗槽(5)由2～4根悬吊索(12)垂直吊在悬吊架(11)上。


2.悬吊式超声波—低频振动联合清洗方法，其特征在于，在悬吊的装有清洗液的清洗槽侧壁外施加2组频率为20～700Hz低频振动，振动频率等于2组相对侧壁的共振频率，2组低频振动的频率为清洗槽内液体晃动固有频率；洗槽侧壁在低频振动激励下共振，近壁面清洗液液面破碎并喷溅至清洗槽顶盖，形成侧壁-顶盖-清洗液的回流；侧壁的振动引起清洗液形成自由表面波，2组低频振动的差频振动引发液体晃动，液体晃动改变侧壁液位导致侧壁间断共振；20～80kHz的超声波以0.5～3Hz的频率间断发射；清洗液在侧壁间断共振、液体晃动、超声波声压、清洗液回流的影响下，清洗液发生混乱的液面波动与破碎，和不稳定的液体晃动，令超声波被形态随机变化的液面反射，扰乱清洗液内超声波驻波位置。


3.根据权利要求2所述的方法，其特征为，超声波为20～80kHz，以垂...

【专利技术属性】
技术研发人员：李钒，金天，尤琪，胡依山，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11