超声波 – 内爆是根本

上篇博文讨论了使用例如‘瓦每加仑’这种计量单位来描述超声波清洗系统的功率和可能总体效率的不恰当之处。  超声波的根本在于能量,但只有那些生成了能够剧烈内爆的空化气泡的能量才能计入。  继续深入之前,我认为读者应当了解到我们为超声波清洗箱提供的那些能量发生了什么。  能量的大部分最终转化为了热量,剩余那部分(仅有 1%)以声音的形式传播了出去。  热量虽然在清洗方面可能有所帮助,但在超声波清洗系统中不是我们的主要目标。  空化和内爆是声波转化为热能的一种途径,但还存在其他有用程度不如这种的转化途径。

超声波清洗系统中能量向热量的转化过程由超声波发生器启动。  超声波发生器电路所使用的部件有变压器、电感器、电容器、电阻器和固态开关装置,所有这些的效率都是有限的,这导致了热量的产生和扩散。  在大多数情况下,会利用散热器(有时也会配风扇)来通过热传递和辐射将热量散发出去。  尽管人们进行了种种尝试来将发生器中的能量损耗降低到最低水平,但仍无法避免地存在一些损耗。

发生器之后便是用于连接至超声波换能器的传输线路。  随着频率的升高,内部能量损耗不可避免地会出现,这是因为高频电的传导方式与普通的 60 赫兹家用电有所不同。  同轴电缆能够减少损耗,但是,在能量抵达超声波换能器之前,还是会发生一些损耗。  这部分损耗能量的绝大部分也转化为了热量。

理想条件下,超声波换能器把电能转化为声波形式的机械能。  但是这一转化过程中,不可避免地会出现另外一些能量损耗。  包括内部(机械)摩擦、电阻(电容和电感)以及机械能通过各种机械接口和接合部位的传导,都会生成一些热量,导致能量损耗。

接下来一步便是将换能器产生的振动传递到清洗液体中。  虽然这看起来非常简单,但其实比看上去要困难得多。  为了将超声波振动有效传递到液体之中,液体必须与振动的换能器表面保持接触。  如果失去这种接触耦合,将会在换能器表面直接形成空洞。  这种情况通常被称为表面空化或解耦。  尽管仍在生成能够内爆的空化气泡,但由于这一效应并未发生在待清洗零部件的表面,因此对清洗效果并没有什么作用。

振动传递到清洗液体后,并不是所产生的全部空化活动均对清洗有帮助。  某些空化气泡并不能生长到能形成强有力内爆的大小。  成形后又被吸收回液体之中而不会发生剧烈内爆崩塌的空化气泡属于稳定空化,其结果是液体因内部摩擦而受到加热,并不会对清洗过程产生帮助。  成形并发生内爆崩塌的空化气泡则属于瞬态空化。  产生有用清洗效果的是瞬态空化。  瞬态空化与上述一样,最终会转化为热能。

正如上文所述,供应给超声波发生器的电能会不可避免地通过各种途径最终转化成热量。成功的超声波清洗依赖于有尽可能多的能量通过液体中瞬态空化这一途径来转化为热量。

 – FJF –