超聲波清洗機中的超聲波機械效應及清洗作用

中低頻超聲波的清洗作用

超聲波作為一種機械波，其在液體中的傳播引發了強烈的機械振動。以中低頻超聲波為例，其頻率為20 kHz，液體質點在聲波擾動下做微小振動，振動速度和加速度巨大。這強烈而快速變化的機械運動對于不溶性固體顆粒有強大的剪切作用，可以使固體顆粒從物體表面脫落，實現了清洗的效果。

高頻超聲波的清洗作用

隨著超聲波頻率增加到幾百千赫的高頻，波長縮短，聲場中質點的密區與稀疏區界線變得模糊，液態聲場中空化現象減少。在硅晶片和光刻清洗中，高頻超聲波表現出更為精細的擦洗作用，每秒進行95萬次的擦洗，迅速擴散到基片與粒子之間，使工件表面水化，從而有效地去除亞微米粒子。

空化微射流及清洗作用

1. 微射流的成因

超聲波清洗可被視為由固-液兩相組成的非均勻介質系統。在固-液界面，附著在界面的氣泡或游離的空化氣泡在聲場中受力作用下形成微小振動，并聚集到工件表面。這些氣泡最終形成空化真空球形氣泡，崩塌時產生微射流。

2. 微射流的清洗作用

微射流的直徑小而速度快，作用時間短暫，但沖擊力強大。它垂直于固體表面，像錘擊釘子一樣，反復敲打固體表面，使附著的污物被擊碎脫落，實現了高效的清洗作用。

3. 微射流的“空化腐蝕”作用

與傳統認為的由真空氣泡潰滅產生的沖擊波引起的“空化腐蝕”不同，現代研究表明微射流是導致超聲波清洗中物體表面損傷的主要原因。微射流的強大沖擊力可能在作用時間過長時導致固體表面的局部破壞。

結論：超聲波的機械效應和清洗作用是基于其在液體中傳播時引起的強烈機械振動。中低頻超聲波具有剪切作用，可擊碎顆粒；高頻超聲波表現出精細擦洗作用；而微射流則通過強大的沖擊力實現高效的清洗，但也需注意其可能導致的“空化腐蝕”作用。