CN109822215A - 一种清除微粒的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种清除微粒的装置及方法，第一种结构包括超声波发生器；其中，所述超声波发生器产生竖直向上或者竖直向下的纵波，经工作物件反射形成驻波。第二种结构包括超声波发生器，平板玻璃；其中，超声波发生器产生竖直向下的纵波，由于所述工作物件与超声波发生器满足声波高透条件，透过工作物件的超声波通过平板玻璃反射，在超声波发生器与平板玻璃间形成驻波。本发明将溅射颗粒悬浮于空中，便于有效清除，同时可有效防止微粒回落，提高激光打孔的效率和准确度；且防止了回落微粒对工作物件表面的烧蚀，提高了工作物件的平整度。

Description

一种清除微粒的装置及方法

技术领域

本发明属于清除微粒技术领域，更具体地，涉及一种清除微粒的装置及方法。

背景技术

激光打孔技术是目前制造领域的关键技术之一，利用高能量的激光聚焦到材料表面实现加工处理，效率高，安全性好，且适合于各种材料。在激光打孔过程中，孔内产生的颗粒通过喷溅离开激光工作区域，这是清除熔融微粒的主要机制。但是由于小孔内壁能会对一些微粒的溅射产生阻碍作用，使得微粒无法离开工作区域，阻塞在小孔内，从而影响后续的激光打孔，最终可能会导致加工小孔深度不足，孔内形状变化等不利的现象发生，降低激光打孔的质量和效率。其次，若喷溅的熔融物未及时处理，一些颗粒回落到材料表面会对工作物件产生不必要的烧蚀，破坏工作物件表面，产生不好的影响。

在清除颗粒研究方面，从工作环境入手，出现了将工作环境换为液体的方式，可以有效地清除孔中颗粒。但由于激光需要进入液体环境，光束质量严重下降；同时，激光在液体环境下的烧蚀会产生气泡，从而影响后续的激光打孔。这种有接触式的清除孔中颗粒存在诸多问题，对清除熔融物的研究仍要继续。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于一种清除微粒的装置及方法，旨在解决现有激光打孔技术因孔中微小颗粒的残留而导致孔形存在缺陷的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种清除微粒的装置，包括：超声波发生器；

所述超声波发生器用于产生纵波；工作状态下，所述工作物件与超声波发生器平行放置；

所述工作物件与所述超声波发生器的高度距离为n为大于等于1的整数，λ为纵波波长，所述工作物件与超声波发生器之间满足驻波条件，使所述超声波发生器产生的纵波经工作物件反射形成驻波。

优选地，工作状态下，所述工作物件位于超声波发生器的正下方，所述超声波发生器产生与重力方向相同的纵波，利用形成的驻波场产生方向由sin函数决定的声辐射力，通过声辐射力克服颗粒重力，从而使颗粒在合力为零的位置处悬浮；

优选地，工作状态下，所述工作物件位于超声波发生器的正上方，所述超声波发生器产生与重力方向相反的纵波，利用形成的驻波场产生方向由sin函数决定的的声辐射力，通过声辐射力克服重力，从而使颗粒在合力为零的位置处悬浮。

基于上述装置的颗粒清除方法，包括：

(1)根据工作物件中颗粒的重力大小，超声波发生器产生纵波；

(2)工作物件接收并反射纵波，使其在工作物件与超声波发生器间形成驻波；

(3)当驻波的声辐射力与颗粒重力大小相等，方向相反时，工作物件中的颗粒悬浮于空中，将其清除。

优选地，工作状态下，当所述超声发生器与工作物件表面不平行时，旋转所述超声波发生器的角度，驻波声场的声压轴线空间分布变为“凸函数”或者“凹函数”，但工作物件表面加工处的纵波近似为垂直声场，声辐射场近似无横向分量，进而在重力和声辐射场的作用下实现颗粒的悬浮状态，便于清除。

本发明提供了一种清除微粒的装置，包括超声波发生器和平板玻璃；

所述超声波发生器位于平板玻璃的正下方，用于产生与重力方向相反的纵波；

工作时，所述超声波发生器和平板玻璃之间设置有工作物件，三者相互平行；

所述工作物件与超声波发生器间的高度距离为n为大于等于1的整数，λ为纵波波长，所述工作物件与超声波发生器之间满足纵波的高透条件，使超声波发生器产生的纵波透过工作物件到达平板玻璃；

所述平板玻璃与所述超声波发生器平行间的高度距离为m为大于n的整数，λ为纵波波长，所述超声波发生器与平板玻璃之间满足驻波条件，用于将所述超声波发生器产生的纵波反射并产生驻波；

所述驻波的声辐射场与工作物件中颗粒的重力大小相等且两者方向相反时，颗粒在空中处于悬浮状态，利于清除。

优选地，当所述装置中工作物件的厚度为时，超声波发生器的纵波全部透射工作物件，透过率为1；其中，k为小于m-n的整数，λ为纵波波长。

更进一步地，所述工作物件与超声波发生器之间设置有非空气介质层，当工作物质的厚度为且工作物件的声阻抗等于介质层与空气声阻抗的乘积开平方根时，超声波发生器的纵波全部透射工作物件，透过率为1，纵波经过平板玻璃产生驻波，用于清除工作物件中的颗粒；其中，D为奇数，λ为纵波波长。

基于上述装置的颗粒清除方法，包括：

(1)根据工作物件中颗粒的重力大小，超声波发生器产生沿平板玻璃法线向上方向的纵波；

(2)平板玻璃接收并反射透过工作物件的纵波，使其在超声波发生器与平板玻璃间形成驻波；

(3)当驻波的声辐射力与颗粒重力大小相等，方向相反时，工作物件中的颗粒悬浮于空中，将其清除。

优选地，所述沿纵波传播方向的声辐射力为：

其中，R_s为悬浮颗粒的半径，f为声波频率，P_a为驻波场声压，k为波数，z为空间位置，c为声速，ρ为声波驻波场所在介质的介质密度。

所述装置可适用于清除激光打孔的孔中颗粒。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

(1)由于本发明采用超声波发生器产生纵波，同时利用反射或者透射波形成驻波，驻波的声辐射力克服微粒重力，使颗粒处于悬浮状态，便于颗粒的清除，有效地解决了因工作物件中颗粒的存在导致激光打孔的孔形和深度无法达到预期标准的问题。

(2)本发明中由于驻波产生的声辐射力最大值大于颗粒的重力，同时声辐射力的方向有sin函数决定，当声辐射力的大小与颗粒重力大小相等，且方向相反时，颗粒会在空中处于悬浮状态，可防止了因颗粒的回落导致对工作物件表面不必要的损伤。

(3)本发明采用的超声波发生器产生纵波，对颗粒的悬浮与清除，与激光打孔的过程可同时进行，相比于现有的激光打孔技术更具效率，可节约大量的时间成本。

附图说明

图1是本发明提供的纵波超声场声辐射力与重力的关系曲线图；

图2是实施例1提供的一种清除微粒的装置示意图；

图3是实施例2提供的一种清除微粒的装置示意图；

图4是实施例2提供的超声波通过工作物件的原理示意图；

图5是本发明提供的超声波发生器与工作物件不平行的装置示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

声悬浮是一种非线性效应，声辐射力在交变的声波中是由于流体媒介的非线性引起的，在小振幅声波中常常忽略数学物理方程中二次及以上项，但在大振幅声波中二次项就体现为声辐射力。

在声场中描述声波传播的物理量有介质的声压(p)和介质粒子振动速度(v)；其中，声压由波动方程和初始条件给出；粒子振动速度由声波运动方程与声压建立联系给出；根据驻波条件和声波叠加原理可以获取驻波声场的声压，同理获取驻波声场的粒子振动速度。由此可知，沿纵波传播方向的声辐射力为：

其中，R_s为悬浮颗粒的半径，f为声波频率，P_a为驻波场声压，k为波数，z为空间位置，c为声速，ρ为声波驻波场所在介质的介质密度。

根据上述分析可知，如图1所示的零时刻声波波形与声辐射力分布的关系示意图；从图1可知，声辐射力最大的位置位于声波的处，其中一半周期内的声辐射力方向与重力一致，不能悬浮。当微粒重力小于声辐射力幅值时，重力线与声辐射力的每一个波形有两个交点，分别为上节点和下节点；微粒大部分悬浮于声辐射力波形的上节点如(A，B)，但是，只有微粒初始位于下节点，才会稳定悬浮，否则均会加速运动到对应的上节点，例如C点，声辐射力与重力方向一致，微粒向下移动，直至到达A点声辐射力方向改变并与重力大小一致，最后稳定悬浮；D点的微粒由于声辐射力方向与重力方向相反，且大于重力，微粒向上运动到A点悬浮；当微粒过小时，重力线接近基准线，则可忽略不计，微粒悬浮在声波波节点附近位置，此时，利用侧风可以实现微粒的清除。

实施例1提出了一种清除微粒的装置，包括超声波发生器；

所述超声波发生器用于产生纵波；工作状态下，所述工作物件与超声波发生器平行放置；

所述工作物件与所述超声波发生器的高度距离为n为大于等于1的整数，λ为纵波波长，所述工作物件与超声波发生器之间满足驻波条件，使所述超声波发生器产生的纵波经工作物件反射形成驻波。

优选地，工作状态下，所述超声波发生器产生沿工作物件法线向下方向的纵波，所述工作物件位于超声波发生器的正下方，利用形成的驻波场产生方向由sin函数决定的声辐射力，通过声辐射力克服颗粒重力，从而使颗粒在合力为零的位置处悬浮。

优选地，如图2所示，所述超声波发生器产生沿工作物件法线向上方向的纵波，所述工作物件位于超声波发生器的正上方，利用形成的驻波场产生方向由sin函数决定的的声辐射力，通过声辐射力克服重力，从而使颗粒在合力为零的位置处悬浮。

基于上述装置，本实施例1提出了一种清除微粒的方法，包括:

(1)根据工作物件中颗粒的重力大小，超声波发生器产生纵波；

(2)工作物件接收并反射纵波，使其在工作物件与超声波发生器间形成驻波；

(3)当驻波的声辐射力与颗粒重力大小相等，方向相反时，工作物件中的颗粒悬浮于空中，将其清除。

如图2所示，工作状态下，所述超声波发生器产生传播方向垂直向上的纵波，所述工作物件位于超声波发生器的正上方为例，具体说明工作过程：

所述超声波发生器产生垂直向上的纵波，声波传输至工作物件界面时，反射声波远大于透射声波，发射声波与入射声波相干叠加在空间中形成驻波场，激光打孔产生的颗粒溅射出小孔，由于受到声辐射力的作用，微粒在驻波超声场中的特定位置稳定悬浮，以便于清除。

对部分工作物件进行微粒清除时，即使工作物件与超声波发生器之间的高度距离满足n为大于等于1的整数，λ为纵波波长，满足驻波条件，但驻波对应的声辐射场大小仍旧小于微粒的重力，无法实现对工作物件中微粒的清除。

对于上述声波易透过工作物件的情况，若加工物件与超声波发生器的距离满足高透条件，透射波通过反射装置反射，使其与入射波相干叠加，也可在空间中形成稳定的驻波声场。

基于上述理论分析，如图3所示，实施例2提供了一种清除微粒的装置，包括超声波发生器和平板玻璃；

所述超声波发生器位于平板玻璃的正下方，用于产生沿平板玻璃法线向上方向的纵波；

工作状态下，所述超声波发生器和平板玻璃之间设置有工作物件，三者相互平行；

所述工作物件与超声波发生器间的高度距离为n为大于等于1的整数，λ为纵波波长，所述工作物件与超声波发生器之间满足纵波的高透条件，使超声波发生器产生的纵波透过工作物件到达平板玻璃；

所述平板玻璃与所述超声波发生器平行间的高度距离为m为大于n的整数，λ为纵波波长，所述超声波发生器与平板玻璃之间满足驻波条件，用于将所述超声波发生器产生的纵波反射并产生驻波；

所述驻波的声辐射场与工作物件中颗粒的重力大小相等且两者方向相反时，颗粒在空中处于悬浮状态，利于清除。

更为具体地为，工作状态下，所述超声波发生器产生方向垂直向上的纵波，声波透过加工物件后继续传播，到达平板玻璃时产生透射声波和反射声波，反射声波远大于透射声波，此时反射声波与入射声波相干叠加在空间中形成驻波场，此时颗粒溅射，由于受到声辐射力的作用，微粒在驻波超声场中的特定位置稳定悬浮，以便于清除。

优选地，工作状态下，所述装置中工作物件的厚度为k为小于m-n的整数，λ为纵波波长，不考虑其他外界因素的情况下，超声波发生器的纵波全部透射工作物件，透过率为1；此时工作物件上表面与反射平板玻璃之间形成驻波场，产生足以悬浮微粒的声辐射力，激光打孔过程中，产生的微粒溅射离开表面，在驻波场的特定位置处悬浮，利于清除，从而达到了防止微粒损伤工作物件或者阻碍打孔过程的目的。

更进一步地，所述工作物件与超声波发生器之间设置有介质层，当工作物质的厚度为D为奇数，λ为纵波波长；工作物件的声阻抗等于介质层与空气声阻抗的乘积开平方根时，不考虑其他外界因素的情况下，所述超声波发生器的纵波全部透射工作物件，透过率为1，纵波经过平板玻璃产生驻波，用于清除工作物件中的颗粒。但实际应用中，能够匹配的工作介质不易寻找，并且更换工作物质也比较麻烦。

基于上述装置，本实施例2提供了一种清除微粒的方法，包括：

(1)根据工作物件中颗粒的重力大小，超声波发生器产生方向向上的纵波；

(2)平板玻璃接收并反射透过工作物件的纵波，使其在超声波发生器与平板玻璃间形成驻波；

(3)当驻波的声辐射力与颗粒重力大小相等，方向相反时，工作物件中的颗粒悬浮于空中，将其清除。

在本实施例中，核心是实现驻波的声辐射力大于微粒的重力，而驻波的声辐射力与驻波场声压、声波驻波场所在介质的介质密度等相关，为获取足够大的声辐射力，通常增加超声波与工作物件之间的透过率，因此，对于声波透过率的计算非常重要，声波透过率的公式由声学基础给出，如图4所示，一厚度为D，特性阻抗为R₂＝ρ₂c₂的中间层(相当于本实施例中的工作物件)放置于特性阻抗为R₁＝ρ₁c₁的介质中，一列平面波(p_i,v_i)垂直入射到介质面上，一部分发生反射回介质1中，为反射波(p_1r,v_1r)，一部分投射入中间层，为透射波(p_2t,v_2t)，到达另一界面时，同样产生反射波(p_2r,v_2r)和透射波(p_t,v_t)。通过加入声压连续以及法向速度连续的边界条件即可求出透过率表达式。

本实施例1与实施例2的区别在于，实施例1利用反射声波形成的驻波场，透射声波将降低超声波发生器的利用率。若工作物件满足声波高反条件，则采用实施例1的结构更为高效，且结构更为简单；实施例2在平板玻璃与超声波发生器中间放置加工物件，利用透射声波形成驻波场，反射声波将降低超声波发生器的利用率。

采用实施例1与实施例2装置可广泛应用于清除激光打孔孔中微粒，但不局限于清除激光打孔孔中微粒的情况，可应用于其他用于清除微粒的情景。

需特别注意，实施例2中装置在激光打孔时透过工作物件背面进行打孔，与现有技术存在打孔表面位置的区别。

实施例1中要求超声波发生器与工作物件平行放置，但是实际应用中，如图5所示，超声波发生器产生的纵波传播方向容易偏离工作物件打孔表面的法线，即超声发生器与工作物件表面不平行，若超声波发生器表面作角度旋转，驻波声场的声压轴线空间分布会变为“凸函数”或者“凹函数”形状，但可近似纵波传播方向垂直于工作物件的表面区域，声辐射力没有横向分量，进而在重力和声辐射场的作用下实现颗粒的悬浮状态，便于清除。

若将加工工作物件进行相应移动，驻波声场同样会导致弯曲，但此时工作物质表面区域内的声辐射力方向存在横向分量，支持微粒在空间中悬浮的仅为声辐射力的垂直分量，声辐射力利用率降低；同时，由于声辐射力存在横向分量，微粒不一定能在空间中稳定悬浮，不同位置处的声辐射力横向分量大小和方向不同，导致微粒清除变得复杂多变，不建议使用。

以实际激光打孔加工为例，若激光从工作物件正面直接打孔时，如实施例1，激光传输方向是由超声波发生器向工作物件打孔表面传播，激光器件与超声波器件会发生冲突，阻碍激光打孔。此时，若采用旋转超声波发生器表面角度的方式将空间中的驻波声场弯曲，避免超声波发生器与激光传输方向的冲突，以便顺利进行加工。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种清除微粒的装置，其特征在于，包括：超声波发生器；

所述超声波发生器用于产生纵波；工作状态下，所述工作物件与超声波发生器平行放置；

所述工作物件与所述超声波发生器的高度距离为用于将所述超声波发生器产生的纵波反射形成驻波；其中，n为大于等于1的整数，λ为纵波波长。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述工作物件位于超声波发生器的正下方，所述超声波发生器产生与重力方向相同的纵波。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述工作物件位于超声波发生器的正上方，所述超声波发生器产生与重力方向相反的纵波。

4.基于权利要求1～3中任一所述装置的颗粒清除方法，其特征在于，包括：

(1)根据工作物件中颗粒的重力大小，超声波发生器产生纵波；

(2)工作物件接收并反射纵波，使其在工作物件与超声波发生器间形成驻波；

(3)当驻波的声辐射力与颗粒重力大小相等，方向相反时，工作物件中的颗粒悬浮于空中，将其清除。

5.一种清除微粒的装置，其特征在于，包括超声波发生器和平板玻璃；

所述超声波发生器位于平板玻璃的正下方，用于产生与重力方向相反的纵波；

工作时，所述超声波发生器和平板玻璃之间设置有工作物件，三者相互平行；

所述工作物件与超声波发生器间的高度距离为使纵波透过工作物件到达平板玻璃；

所述平板玻璃与所述超声波发生器间的高度距离为用于将所述超声波发生器产生的纵波反射并产生驻波；

所述驻波的声辐射场与工作物件中颗粒的重力大小相等且两者方向相反时，颗粒在空中处于悬浮状态，利于清除；

其中，n为大于等于1的整数，m为大于n的整数，λ为纵波波长。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，当所述工作物件的厚度为时，所述超声波发生器的纵波全部透射工作物件；其中，k为小于m-n的整数，λ为纵波波长。

7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述工作物件与超声波发生器之间设置有非空气介质层，当工作物质的厚度为且工作物件的声阻抗等于介质层与空气声阻抗的乘积开平方根时，所述超声波发生器的纵波透过率为1；其中，D为奇数，λ为纵波波长。

8.基于权利要求5～7中任一所述装置的颗粒清除方法，其特征在于，包括：

(1)根据工作物件中颗粒的重力大小，超声波发生器产生与重力方向相反的纵波；

(2)平板玻璃接收并反射透过工作物件的纵波，使其在超声波发生器与平板玻璃间形成驻波；

(3)当驻波的声辐射力与颗粒重力大小相等，方向相反时，工作物件中的颗粒悬浮于空中，将其清除。