超声波原理

超声波原理

1 前言．

在市场经济的环境下，对产品质量要求越来越高。为保证产品质量，许多企业在产品生产过程中，将采用清洗工艺来提高产品质量，为企业创造良好的经济效益。

当前在一些工业产品生产过程中，应用超声波清洗是一种洗净效果好，价格经济，有利于环保的清洗工艺。超声波清洗机可以应用于清洗各式各样体形大小，形状复杂，清洁度要求高的许多工件。例如可用于清洗钟表零件、照相机零件、油咀油泵、汽车发动机零件、精密轴承零件、齿轮、活塞环、铣刀、锯片、宝石、医用注射器及各种光学镜头等；还可以用于清洗印制板、半导体晶片及器件、显象管内的精密零件、磁性元件、硅片、陶瓷晶片、插头座、焊片、电极引线等电子类产品。

一种物件的清洗可以根据其污垢的性质，采用机械物理力清洗的方法或化学力清洗的方法，还可以用各种组合方法来进行清洗。

若是用自来水或净水为清洗液的超声波清洗属物理力的清洗，若在清洗液中添加一些洗涤剂，则属于组合清洗，对不同的清洗对象选用不同的洗涤剂，更具有明显的清洗效果。

表1为几种清洗方法洗净效果比较。

图1为两种清洗方法洗净效果比较。

2 超声波清洗的原理把液体故人清洗槽内，给槽内作用超声波。由于超声波与声波一样是一种疏密的振动波，介质的压力作交替变化。如果对液体中某一确定点进行观察，这点的压力如图2曲线A所示。以静压(一般一个大气压)为中心，产生压力的增减，若依次增强超声波的强度，则压力振幅也随着增加，像图2曲线B

那样，并产生负的压力。

所谓负压，但实际上负的压力是不存在的，这是在液体中产生撕裂的力，且形成真空的空泡，并被后面的压缩力压挤而破灭。这种在声场作用下的振动，当声压达到超声波清洗一定值时，气泡将迅猛增长，然后又突然闭合，在气泡闭合时，由于液体间相互碰撞产生强大的冲击波，在其周围产生上千个大气压的压力。这也就是所说的“超声空化”。超声清洗就是利用了空化作用的冲击波，其清洗过程中由下列四个因素作用所引起。

(1)因空泡破灭时产生强大的冲击波，污垢层在冲击波的作用下被剥离下来，即分散及脱落。

(2) 因空化现象产生如图3a所示的气泡。由冲击形成的污垢层与表面之间的间隙和空隙渗透，由于这种小气泡与声压同步膨胀，收缩，产生像剥皮那样的物理力重复作用于污垢层，污垢一层层被剥开，如图3b所示，小气泡再继续向前推进，直到污垢层被剥下为止。这就是空化二次效应。

(3)超声清洗中清洗液的超声振动本身对清洗的作用力。例如：20kHz，2W／cm2的超声波在清洗液中传播时，它将引起质点的振动，位移幅度1．32lLm，速度0．16m／s，加速度为2．04X104m／sz，(约为2删g的重力加速度)，声压为1．45X105Pa，这表明清洗物表面的污垢层每秒将遭到2万次的激烈冲击。

(4)清洗剂也溶解了污垢，产生乳化分散的化学力。

超声清洗的主要原理是超声空化作用，要获得良好的清洗效果，合理选择清洗槽中声场的声学参数和清洗液的物理化学性质是十分重要的。

既然空化是主要的，那么如何产生空化呢?一般来说，空化不仅由介质特性决定，而且也与声场有关。空化阂的高低受到许多因素制约，主要有如下几个因素：

(1) 空化阂与工作频率fa有关。频率越高，空化阂值越高，产生空化越难。气泡在声场的作用下将进行振动，但不一定发生崩溃(破灭)，只有当声波的频率低于气泡的谐振频率时才可能使气泡破灭，而当声波的频率高于气泡的谐振频率时，气泡只进行复杂的振动，一般不发生气泡破灭。

(2)空化阂与介质中气泡半径有关，半径越小，空化阂越高。

(3)宝化阂与声波作用时间长短有关，声波幅射时间越长，空化阐越低。

（4）空化阂与环境静压力有关，静压力越

大，空化阂越高。

(5)空化阂与介质的粘滞性有关，粘度大，表面张力大，空化阂高。

(6)空化阂与液体含气量有关，含气量越少，空化阂越高。

(7)空化阂与清洗液温度有关，清洗液温度升高，对空化有利。但清洗液温度过高时，气泡中蒸气压增大，因在气泡闭合期增强了缓冲作用而使空化减弱。而温度还与清洗液的溶解度有关。对于水清洗液较适宜的温度约为60Y。

根据超声清洗的机理我们可选择最佳状态，并得到最佳的清洗效果。还应注意到选择最佳的声强。声强过高会产生大量气泡，在声波表面形成一道屏障，使声波不易辐射到整个液体空间，因而在远离声源的地方，清洗作用减弱。同时过高的声强，气泡膨胀过大，以至于在声波压缩相内，气泡来不及闭合。声强一般选在1W／cm2—2W／cm2，对于一些金属表面氧化膜难于清洗的污垢，则应采用较高的声强。3 超声波清洗的应用

超声波清洗设备一般可分为通用和专用两种机型。

3．1 通用超声波清洗机

超声波清洗机的结构一般有超声电源和清洗器合为一体或分开布局两种形式，一般小功率(200W以下)清洗机用一体式结构，而大功率清洗机采用分体式结构。超声波清洗机分体式结构由三个主要部分组成，如图4所示。

(1)清洗缸；

(2)超声波发生器；

(3) 超声波换能器；清洗缸：清洗缸是用来装载清洗液及被清洗工件的不锈钢容器，大多数工件可先装在网状框架内，再一起放人缸内清洗。超声波发生器：超声清洗机用的超声波发生器，从使用的元器件种类可以分电子管式的，可控硅式的和晶体管式的。近几年来已经发展到用大功率“功率模块”的方式。其输出功率从几十瓦直到几千瓦，工作频率从

15kHz—40kHzo

超声清洗机用的超声波发生器，有以下特点：

(1)随着清洗液深度不同，换能器共振频率和阻抗变化很大。但是实践表明，槽内放进适量清洗物后，基本上就可以稳定在某一定数值上。

(2)一般来说，由于清洗负载变动较小，可以不要求复杂的频率自动跟踪电路。

(3)实用超声波发生器，大多数采用大功率自激式反馈振荡器。超声波换能器：超声波清洗机用的换能器主要有以下几种：

①磁致伸缩换能器国内用的磁致伸缩换能器大多数是用镍片叠成的窗口型换能器，将它银焊在清洗缸底部，然后用导线在窗口上绕一定卷数而成。此种换能器能承受较大功率，且可靠性好，使用寿命长。缺点为效率较压电换能器低，原材料镍片价格贵。

②压电式换能器目前国内外大多数超声波清洗机用的是压电式换能器，勘L形结构如图5。

这种换能器一般有两片压电陶瓷晶片组成。一台清洗机用多个换能器，经粘接剂粘接在清洗缸底部且经并联联接组成一台清洗机的换能器。换能器基元之间距(对于频率20kH4一般在5—10mm为佳，太大了容易产生弯曲振动，且振动板受到腐蚀，同时辐射面相对减少。

通用超声清洗机清洗零件适用性强，已广泛应用于电子、钟表、光学、机械、汽车、航空、原子能工业、医疗器械等许多行业。

2 专用超声波清洗机

一般安装在某些特定物件清洗的生产流水线上。

图6为典型的软磁器件超声波清洗设备，被清洗物件从进料口可传动的不锈钢专用网带送人超声波清洗槽清洗，再经喷淋、烘干等工序后出料，实现被清洗物件可直接包装入库。各工序简要说明如下：

①进料：物件进料可采用半自动进料或

②压电式换能器目前国内外大多数超声波清洗机用的是压电式换能器，勘L形结构如图5。

这种换能器一般有两片压电陶瓷晶片组成。一台清洗机用多个换能器，经粘接剂粘接在清洗缸底部且经并联联接组成一台清洗机的换能器。换能器基元之间距(对于频率20kH4一般在5—10mm为佳，太大了容易产生弯曲振动，且振动板受到腐蚀，同时辐射面相对减少。

通用超声清洗机清洗零件适用性强，已广泛应用于电子、钟表、光学、机械、汽车、航空、原子能工业、医疗器械等许多行业。

3．2 专用超声波清洗机一般安装在某些特定物件清洗的生产流水线上。

图6为典型的软磁器件超声波清洗设备，被清洗物件从进料口可传动的不锈钢专用网带送人超声波清洗槽清洗，再经喷淋、烘干等工序后出料，实现被清洗物件可直接包装入库。各工序简要说明如下：

①进料：物件进料可采用半自动进料或

⑧出料：物件出料可采用自动收料或手工收料方式，格被清洗物件装入包装盒内。

通过上述工序就完成了物件实现利用超声波清洗的全过程。

目前，还有一种超声汽相清洗机，它是选用有机溶剂作清洗液，具有极强的溶解污垢的能力，用于清洗半导体晶片等净治度要求特别高的物件。

威海国创电气有限公司多年来已研制、开发、生产了多系列通用超声波清洗机，产品广泛应用于全国各地的大中型企业，同时还按用户特殊要求研制、开发、生产了用于清洗软磁器件、精密轴承零件、锯片、汽车等零件的专用超声波清洗设备，在生产中发挥了良好的作用。

随着计算机软硬件技术、电力电子技术及信号处理技术的飞速发展，超声波获得了非常广泛的应用。近年来，由于微机的广泛应用，构成计算机控制的智能控制系统或装置越来越多。这里基于PWM技术，应用单片机组成智能控制系统，对目前的大功率、高频率、高性能的智能化超声波电源技术进行了研究。

1 系统的硬件电路组成

系统原理框图如图1所示，他包含功率变换主电路和控制电路两大部分。主电路采用交-直-交结构，包括整流、直流滤波器、逆变器、变压器及负载等组成部分。其中，交-直部分为桥式整流，经过电解电容器虑波得到平稳电流。逆变器选用IGBT作为开关元件，电路在传统桥式结构的基础上加入一个简洁的辅助网络，形成移相控制全桥逆变器，该电路可以在任意负载和输入电压范围内实现零电压开关(ZVS)，减少损耗，提高了电源利用效率。

逆变器的控制电路在整个系统中至关重要，这里采用MCS-96系列8089单片机作为智能控制部分的核心，采用正弦脉宽调制方式(SPWM)对逆变器进行控制，用以实现功率匹配和频率跟踪的数字化技术。

1.1 单片机控制系统

本控制系统由MCS-96系列8089单片机、74LS138地址译码、EPROM2764和RAM6264等构成最小微机系统，完成超声波频率给定、载频频率设定，模拟输出单极性正弦波恒幅脉宽调制信号(SPWM)，还可实现功率、频率显示以及过压、过流、过温保护控制。

超声波电源系统中负载换能器工作在谐振状态，为了保证负载端电流和电压同频同相，要加上同步锁相环。因此，本文逆变环节采用双环结构的PWM控制方式，控制框图如图2所示。

同步电压信号由相位及峰值检测电路送至单片机锁相处理，单片机通过D／A数模转换口输出与同步电压同相位的标准正弦波，外部电压环通过将直流母线电压给定信号U*d与实际的直流母线电压Ud进行比较后得到的误差信号送入PI调节器，PI调节器的输出则为要控制的输出电流幅值指令信号Im，这里电压环的PI调节器在单片机内部用软件来实现。电流幅值指令信号Im与标准正弦波相乘后得到了幅值可调的正弦电流给定信号i*a，与实际的输出电流反馈信号ia进行比较，电流误差信号经比例调节器(为减小稳态误差，这里采用大比例控制，由外部硬件电路实现)放大后送入比较器，再与三角载波信号比较形成SPWM信号，该SPWM信号经过驱动电路去驱动主电路开关器件，便可使实际的输出电流跟踪给定信号，从而达到与同步电压保持同相位变化，提高了输出的功率因数，同时由于输出电流的幅值决定了输出功率的大小，那么幅值可调也决定了输出功率的可调，并且也达到了控制支流母线电压的目的。

1.2 SPWM原理和波形

脉宽调制逆变器简称PWM，简单地说，是通过控制逆变器内部开关器件的通、断顺序和时间分配规律，调控逆变器输出电压中基波电压的大小和频率，增大输出电压中最低阶次谐波的阶次，并减小其谐波的数值，来达到调控其输出电压，同时又改善输出电压波形的目的。

本文采用单极性正弦波恒幅脉宽调制信号(SPWM)，调制原理见图3。图3中，Uc是载波信号，Ur调制信号，利用采样控制理论中冲量等效原理，在他们相交点可得到一组等幅矩形脉冲，脉宽和正弦曲线下的面积成正比，脉宽基本上呈正弦分布。从图中也可以看出在单极性调制时，Uc是与Ur始终保持同极性的关系，即正弦波处于正半周时，载频信号也在正值范围内变化，产生正的调制脉冲序列，与此相同，在负半周产生负的调制脉冲序列。根据在正弦波半周内载频信号的频率，可以确定产生调制脉冲的数目，这样也就同时决定了控制各个功率管的通断次数。SPWM产生的调制波是一系列等幅、等距而不宽的脉冲序列。

1.3 软锁相

锁相环是一个相位反馈控制系统。锁相环由三部分组成，即鉴相器(PD)、环路滤波器(LPF)和压控振荡器(VCO)，其基本构成如图4所示。其主要工作原理：输入电压与输出Ui与输出Uo通过鉴相器PD进行相位比较，得到相位误差信号Ue，Ue再经过低通滤波器LPF产生控制电压Ud，Ud加到压控振荡器VCO上使之产生频率偏移，从而跟踪输入信号的

频率，当输入信号频率与输出信号频率相同时，锁相环锁定，从而实现频率跟踪。

本文利用单片机8089实现软锁相。锁相部分的软件设计主要分两个部分，一是输入电压U的相位检测；二是电流指令正弦波的输出。

相位的检测利用8089单片机的外部中断实现，其P0.7引脚的正跳变信号触发中断，连续两次正跳变的时间间隔即为负载基波电压的周期丁Ts。

正弦电流指令的产生由8089单片机与D／A转换器共同完成，他是由N级阶梯波近正弦。8089单片机有2个定时器和4个软件定时器，且均可产生中断，软件定时器的中断时间间隔可设定，利用他来产生正弦的数字信号。首先根据D／A 转换器的参数生成基准正弦Su的正弦表，综合考虑8089单片机的运算速度以及控制程序的运行等，选取合适的正弦表点数(亦即阶梯波的阶梯数)N，则每个阶梯所占的时间为Ts／N。在软件定时器中断服务程序中，首先设定下一次的软定时中断时间Ts／N，再利用查表法实现i*=α?Su，这里α为正弦的比例系数，由电压环的误差电压决定其大小。

以上分析了相位的检测和正弦电流指令的产生，接下来是实现正弦指令与输入电压的同步。在利用查表法产生正弦时，正弦表指针P对正弦表循环计数(0～N)。当发生外中断，即负载基波电压过零时，正弦电流指令也应该正向过零点，所以在外部中断服务程序里，应该修改指针P，使P位于正弦表的正向过零点。然而由于存在软硬件的延时，往往不能将P指向正弦表的正向过零点，而应指向p*(这里p*与正弦表的正向过零点有一个偏差△p)，才能使D／A输出的电流指令i*与输入电压U的相位差为0。p*的选取需要在实验中确定，于是在外中断服务程序里将P指向p*。

2 系统软件设计

2.1 主程序

主程序包含初始化子程序、显示子程序和采样子程序以及中断程序地址的设定，参数的设定等，开放软中断以及软定时中断等。初始化子程序中，对各寄存器设定初值，对单片机本身的I／O口、定时器设定工作方式。显示子程序可对电压与电流信号进行定时采样，A／D转换后，经I／O口输出，进行动态显示。本系统还可对超声波电源频率、功率进行设定、显示。

2.2 中断服务子程序

中断服务子程序分为外部中断服务程序和软件定时器中断服务程序

2.2.1 外部中断服务程序

外部中断服务程序中主要完成以下任务：在每次发生外部中断时，把指针P重新指向p*，同时将正弦表点数即阶梯数赋给初值(这里程序中一共在一个周期中设置了125个正弦表点数，每次外中断发生时，依次输出125个点即完成正弦电流指令的输出)，并设置外中断发生标志和采样标志。

2.2.2 软件定时器中断服务程序

软件定时器根据母线电压PI子程序计算的正弦比例来实现正弦波的输出，或者也可以通过软件设置为固定的比例输出，即固定的功率输出。由于采用周期控制，一个周期20 ms，正弦表点数取为125，所以大约160μs发生一次中断。其程序流程图如图5所示。

2.3 母线电压PI调节子程序

母线电压采样信号送人CPU后，由软件来实现电压环PI调节的数字化，本文采用增量型PI算法，其表达式为：

令A=KP+KIT，B=KP，他们是与比例系数、积分系数、采样周期相关的系数。则上式可简化为u(k)=u(k-1)+Ae(k)-Be(k-1)，那么数字PI控制算法的程序流程图如图6所示。

3 结语

基于SPWM技术的大功率超声波电源由于采用单片机智能控制系统，从而使电源频率可实现人工设定，输出电压亦可通过调节可控整流角α而改变；锁相环实现输出电流与电压保持同频同相，从而能将电能以近似于1的功率因数，提高了电能利用率；同时采用高频调制后可获得高质量的输出电流波形，抑制了高次谐波，使换能器损耗减小，从而可为大功率超声波换能器在各个领域应用提供性能优良的超声波电源。