在工业或者珠宝行业，我们经常会听到超声波清洗一词，比如很多零件需要先经过超声清洗后包装，珠宝店买了金银首饰，服务员也会拿到超声波清洗机中做好清洗，再交给顾客。01
什么是超声波
我们知道，声波是一种通过介质（如空气、水和金属）传播的振动。声波传播示意图，用弹簧压缩和伸长表示声波在介质中的传播特性：在压缩区域的某点，介质中的压力为正。在稀疏区域中的点，介质中的压力为负。声波在不同介质中的传播速度。其实，超声波定义为“人类听不见的高频声音”，其频率一般超过20 kHz。频率高于20kHz为超声波，蝙蝠海豚等可以听见。在20Hz-20kHz之间为人耳可听见波，频率低于20Hz为次声波，大象和牛等动物可以听见。
不同动物的听力频率范围。
下面这个音频展示了不同频率的声音，我们可以点击来感受一下不同的“频率”到底是怎样的。有趣的频率：20Hz-20KHz频率的声音，建议把声音调小，注意保护你的耳朵。在固体中，同时存在两种类型的弹性波。一种其位移方向与波的传播方向相同，称为纵波或密度波；另一种位移方向与波的传播方向垂直，称为横波或剪切波。纵波：R表示稀疏区，C表示压缩区。横波，图片来自www.mtu.edu。
瑞利表面波：尽管瑞利波看起来像海洋上的波浪一样滚动，但粒子运动与海浪相反。地震引起的大部分震动都是由瑞利波引起的。乐夫表面波：乐夫波产生完全水平的运动。振幅在表面最大，随着深度的增加而减小。在超声波清洗中，频率可以在 20 KHz 到200 KHz 之间变化。压电材料在通高频电流时，会产生高频伸长和回缩，这种高频长度变化其实是高频振动。磁滞伸缩也是类似的，铁磁材料在高频变化的磁场作用下会产生高频振动，这是超声产生的基础。利用压电效应产生超声波示意图，更多原理信息可参见此文第1部分，超声应用可参见第5部分。利用磁滞伸缩效应产生超声波示意图：磁滞伸缩层压外围被线圈包围，当线圈通入交流电时，会产生交变磁场，磁场作用于层压会导致其产生交变的位移，也即高频振动，振动（超声波）通过纽带传递到超声清洗巢中。在理解超声波清洗原理前，我们需要明白一个概念：超声空化（Ultrasonic Cavitation）。超声空化其实是一种物理现象，它包括液体内部数百万个微小蒸汽气泡的循环形成、膨胀、破裂和内爆。声波的传递依照正弦曲线纵向传播，即一层强一层弱依次传递。当弱的信号作用于液体中时，会对液体产生一定的负压，使液体内形成许许多多微小的气泡。当强的声波信号作用于液体时，会对液体产生一定的正压，因而液体中形成的微小气泡被压碎。超声波空化效应示意图：声波在传播过程中，不断经历压缩和舒张状态（波峰和波谷），在舒张一侧会形成负压，负压进而产生气泡（原因见后面详细解释），当波峰通过时，空化气泡在正压的影响下不断振荡，最终增长到不稳定的大小。最后，空化气泡的剧烈破裂导致内爆，从破裂位置辐射出冲击波。超声波空化原理示意图: 气泡的循环形成、膨胀、破裂和内爆。研究表明，超声波作用于液体时，液体中每个气泡的破裂会产生能量极大的冲击波，相当于瞬间产生几千度的高温和高达上百个大气压，这种现象被称之为空化效应。超声波清洗正是应用液体中气泡破裂所产生的冲击波来达到清洗和冲刷工件内外表面的作用。空化气泡和烧水产生的气泡有所不同，空化是当液体在恒定环境温度下经受减压时形成液体气相的现象，因此空化是由于压力降低而不是热量增加而导致的液体沸腾过程。我们平常看到液体沸腾是因为加热液体使温度升高，其实当温度不变时，如果降低液体压力，也会产生沸腾现象，这个我们在中学物理中其实就已经学过，比如高原地带水的沸腾温度会降低就是因为高原地带大气压要低些。而如果你将一个空瓶装满常温水，然后不断抽空瓶中的空气，你会发现瓶中常温的水在一段时间后居然沸腾了，其实是一样的原理。深层次原因为：液态水分子之间通过氢键结合，而这种结合在温度升高或者压力降低时会被破坏，导致水气化蒸发。而水分子内部是靠O-H共价键结合起来的，破坏它需要较高的能量，所以水蒸气中还是H2O分子。液态水分子之间主要通过氢键结合（Hydrogens bonds），在常温下当外界压强变得足够低，氢键断裂，水即气化为水蒸汽。就像前文所述，声波在水中传播时，也有稀疏区和压缩区，在稀疏区压力低，在压缩区压力高，在低压区便会形成水蒸汽气泡，就像水沸腾了。第 1 阶段，在液体内部，减压作用和温度逐渐升高，会产生大量微小的充满蒸汽的气泡，在这个阶段，气泡增加并达到最大膨胀。空化气泡产生与爆破过程。第 2 阶段，在液体内部，气泡中所含气体的压缩作用和随之而来的温度升高导致气泡破裂，直至内爆。每次内爆都会将其能量释放到浸入物体的表面，并充当无数去除杂质的微刷。有了对“空化”的理解，我们现在就很容易理解超声波清洗的原理了。当超声波在水中传播时，会产生压缩波峰和波谷。微小气泡在压力低的波谷中形成，并由于高压而在波峰中破裂。当气泡破裂时，一股小而强大的液体射流会冲入破裂的气泡所在的空间。这些喷射液流在要清洁的零件表面上产生强烈的清洁作用。超声波清洗机组成。超声波清洗眼镜过程：超声空化产生微小气泡，水分子爆破，脏污被清除。清洁发生在任何有气泡的地方、整个罐体、空腔内和复杂结构的周围。清洁速度快，可去除所有污染物。较低的频率往往会产生更大的空化，而较高的频率会产生强度较低但更精细的空化。低频不能有效去除微小颗粒，表面有微小的凹槽，颗粒可以进入其中。20 kHz – 40 kHz：用于一般清洁目的，清洗大而笨重的材料。60 kHz – 80 kHz：此范围可有效去除微小颗粒而不会对零件造成损坏。通常用于清洁半导体、磁盘驱动器、手表和其他精密零件。100 kHz 及更高频率：包括1 MHz在内的高频，具有更温和的空化效应，适用于清洁硅晶片。关于超声波清洗，其实还有很多可以探索的地方，比如清洗液，清洗温度，清洗机类型等。
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