CN110935686B - 悬吊式超声波—低频振动联合清洗方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供悬吊式超声波—低频振动联合清洗方法与装置，令悬吊的清洗槽在受迫振动下发生液面随机变化，抑制清洗液内超声波驻波对清洗的负面影响。装置包括超声部分、低频振动部分、悬吊清洗槽，提供2组低频信号，经功率放大器分别激励固定于2组清洗槽侧壁外的低频振动换能器，激发2组相对竖直侧壁共振，低频振动的差频振动引发液体晃动，令清洗液不稳定晃动、液面混乱波动和破碎，液面随机反射超声波以扰乱清洗液内超声波驻波位置，令清洗均匀并延长被清洗物寿命。侧壁共振时清洗液喷溅并形成侧壁‑顶盖‑清洗液的回流，兼有驱除清洗槽内气泡的作用，且条件适当时能省略1组低频振动。本发明具易实现、绿色清洁、成本低、硬件兼容性强的特点。

Description

悬吊式超声波—低频振动联合清洗方法

技术领域

本发明属于超声清洗领域，是超声波与低频振动共同作用下的物理清洗。

背景技术

超声波清洗是满足绿色发展的时代需要的实用清洗技术，利于环境保护，减少化学品的应用，对孔洞、微孔和凹槽等的较彻底清洗是相对于其他清洗方法的突出优点。超声波清洗多在清洗槽内进行，固定于清洗槽壁的超声波换能器在超声频电源激励下产生超声频振动，在耦合至清洗槽壁向槽内清洗液中发射超声波。

因为超声波会在声阻相差较大的界面上反射，如清洗液-清洗槽壁、清洗液-空气，令清洗液中形成封闭声场，故多数超声波清洗装置基于清洗槽设计。理想的超声波清洗是超声波均匀作用在被清洗物表面，而矛盾是静水中的封闭超声波声场存在驻波，驻波波节与波腹分别在被清洗物表面有极小值和极大值声压，导致实现清洗的超声波空化作用不均匀施加在被清洗物表面，也即清洗效果受超声波驻波影响，位于驻波波节上的被清洗物清洗强度不足，驻波波腹则可能造成清洗物局部受损，易损坏超滤膜、丝绸等材料。

发明内容

本发明在于利用低频振动和液体晃动改变清洗槽内液面形态来抑制超声波驻波对超声清洗的负面影响，同时在清洗槽内制造液体流动，形成悬吊式超声波—低频振动联合清洗方法与装置，以下为具体描述。

在超声换能方面，由于大多用于超声清洗的超声波换能器为压电式的三层结构，并随温度变化而小幅度改变，这要求超声频电源提供不太偏离超声波换能器谐振频率的交变电压，频偏在1～2kHz内尚可接受，否则换能效率将急剧降低且导致超声波换能器发热严重。因而超声频电源的常见原理是将工频电压整流为脉动直流后，以自激震荡的方式令输出变压器次级与超声波换能器发生串联谐振，来实现对超声波换能器的激励和适应超声波的谐振频率。此时超声波换能器上电压波形为两组正弦波叠加的波群，即工频调幅的高频交变正弦电压，其中高频波列的频率近似于超声波换能器谐振频率。

这种自激式超声频电源成本低、适应性强而被广泛应用。然而受工作原理限制，这种超声频电源工作时超声波是以最大功率发射，为实现平均功率的调整，人们采用启停频率较高(至少为10Hz)的启停控制来控制超声功率，而并非改变超声波的振幅，具有容易实现的优点。然而实际应用中，这样的启停控制不仅只改变占空比，超声频电源在反复频繁的开关下也易故障，故障多发生在功率设定值接近“0％”或“100％”的情况下。尤其是以改变导通角调整功率时(如采用晶闸管)，启停频率为工频频率，与调整功率相关的元器件易在长时间工作下损坏，输入超声频电源的波形也不是正弦波而降低功率因数与制造谐波噪声。

在降低驻波的负面作用方面，由于超声波在清洗液的传播速度很快，如在水中约为1500m/s，故清洗液中声场的建立非常迅速，难以基于现有超声波换能器的原理根除驻波，不断改变或扰乱超声波驻波位置成为降低超声波驻波负面影响的最直接方法。因此，人们大多采用补偿性的手段降低驻波对超声清洗的负面作用，目前实际应用中有两类主要方法。第一类是机械方法，如将被清洗物装入挂篮中，挂篮在清洗槽内上下运动，让波腹不断扫过被清洗物。第二类是多频式或相控阵方法，如采用不同频段的超声波换能器，同时或交替地通过清洗槽至清洗液，来制造密集的驻波波腹，或在相控阵控制下令超声波换能器阵列产生径向振动，令超声波驻波变得可控。上面两类多适用于污染严重的情况，适合于密度大、需要足够大的清洗强度、不易被空化作用损坏的被清洗物，如清洗油污或锈蚀的金属零件。

另外还有扫频和利用泛音的方法。对于扫频方法，为了不造成太大的超声功率降低，只能以超声波换能器谐振频率为基频在1～2kHz的频带内作为扫频范围，这限制了实际效果，如水中40kHz超声波形成的理论波腹距离即半波长约1.88cm，而±1kHz的频率扫动只能让波腹在约1.9mm范围内摆动。对于泛音式方法，其原理为利用压电晶体谐振频率不唯一的特点，令超声波换能器在基频和泛音频率上交替工作，如果非基频的超声波具有确实的清洗效果，应能探测到非基频超声波驻波，但实际上几乎只能探测到基频超声波驻波。

本发明针对现有方法不足之处，提供悬吊式超声波—低频振动联合清洗的方法与装置，下面为技术方案。

悬吊式超声波—低频振动联合清洗的装置，其特征在于，包括超声部分、低频振动部分、清洗槽和悬吊架；超声部分由PWM-PFM发生器(1)、电子开关(2)、超声频电源(3)、超声波换能器(4)依次连接组成，超声波换能器(4)耦合于清洗槽(5)底部，令超声波由清洗槽底部垂直向上发射至清洗液内部；所述低频振动部分由低频信号源(7)、功率放大器(8)、2组低频振动换能器(9)依次连接组成，每组低频振动换能器包括两个对称设置的低频振动换能器(9)；低频振动换能器(9)固定于清洗槽(5)侧壁外将低频振动耦合至清洗槽(5)；所述清洗槽(5)内装有清洗液(6)并带有顶盖(10)，被清洗物浸没于清洗液(6)，清洗槽(5)由2～4根悬吊索(12)垂直吊在悬吊架(11)上。

悬吊式超声波—低频振动联合清洗的方法为，在悬吊的装有清洗液的清洗槽侧壁外施加2组频率为20～700Hz低频振动，振动频率等于2组相对侧壁的共振频率，2组低频振动的差频频率为清洗槽内液体晃动固有频率；洗槽侧壁在低频振动激励下共振，近壁面清洗液液面破碎并喷溅至清洗槽顶盖，形成侧壁-顶盖-清洗液的回流；侧壁的振动引起清洗液形成自由表面波，2组低频振动的差频振动引发液体晃动，液体晃动改变侧壁液位导致侧壁间断共振；20～80kHz的超声波以0.5～3Hz的频率间断发射；清洗液在侧壁间断共振、液体晃动、超声波声压、清洗液回流的影响下，清洗液发生混乱的液面波动与破碎，和不稳定的液体晃动，令超声波被形态随机变化的液面反射，扰乱清洗液内超声波驻波位置。

所述超声部分，其特征为，超声波为20～80kHz，以垂直于静水液面的方向向上发射，在清洗液中形成平均能量密度为0.025～1W/cm³的声压，从而在被清洗物表面产生空穴作用，清洗所述表面。

为了令超声波间断发射，PWM-PFM发生器(1)产生频率为0.5～3Hz、占空比为0.1～0.9的开关信号，控制电子开关(2)的动作，令超声频电源(3)间断激励超声波换能器(4)制造间断的超声波，开关信号频率随占空比升高而升高。

所述清洗槽与低频振动部分，清洗槽器型为长方体，相对的侧壁其尺寸、壁厚、材料特性相同，较短相对侧壁对较长相对侧壁的共振频率差异为5％以上，以确保低频振动的差频振动能够引发液体晃动，2组相对侧壁由2组共4个固定于侧壁外预期液位高度附近的低频振动换能器(9)分别激励，低频振动换能器(9)由低频信号源(7)通过功率放大器(8)驱动。

进一步，当清洗槽水平截面长宽比大于1.2时，较短相对侧壁的低频振动部分可省略。

为实现侧壁共振与液体晃动，所述低频振动的特征为，低频信号源(7)分别开环驱动2组低频振动换能器，为了引发液体晃动，在分别确定2组相对竖直侧壁固有共振频率后，在2组相对侧壁共振的状态下改变较短相对侧壁的低频振动频率，直至差频振动引发液体晃动，此时2组低频信号频率作为清洗时所用侧壁工作频率。侧壁工作频率为f_L和f_S。

所述低频振动与侧壁共振的特征为，低频振动换能器(9)向侧壁输入平均机械能能量密度为100～1300W/m²，所引发的共振能够令近壁面的清洗液喷溅至顶盖以形成侧壁-顶盖-清洗液的清洗液回流。

本发明中清洗液发生的混乱的波动与破碎，和不稳定的液体晃动主要来自侧壁的受迫振动。在清洗槽相对侧壁尺寸、壁厚、材料特性都相等的情况下，2组相对竖直侧壁固有共振频率为f_L0和f_S0，f_L0>f_S0，在f_L和f_S按前文确定后有f_L≈f_L0，f_S未必等于f_S0，f_L>f_S。其中f_L和f_L0对应长度较大的侧壁，f_S和f_S0对应长度较短的侧壁。进一步，由于2组相对的侧壁高度相等，f_L0和f_S0取决于近壁面的液面高度H_L和H_S。这使得侧壁刚开始受迫振动时，长度较短侧壁因f_S和f_S0的关系可能不会立即发生共振，但2组相对的侧壁在f_L0和f_S0的振动下所得差频振动(或称拍振)所引发清洗液的液体晃动，引起H_L和H_S间歇改变。这时由于清洗槽尺寸的特点，H_S的改变幅度较大，令某些时刻f_S＝f_S0，较短侧壁在f_S下间歇式共振；而H_L的改变幅度较小，较长侧壁的共振趋于持续进行；如果在侧壁受迫振动前f_S＝f_S0，在液体晃动被引发后，同样因为H_S的改变幅度较大，某些时刻f_S将偏离f_S0，令较短侧壁在f_S下间歇式共振或振动幅度减小。因此不论2组相对竖直侧壁是否能够持续共振，液体晃动都会引发侧壁共振。

而实际上由于清洗槽的制造误差，相对侧壁在相等液位高度下共振频率存在偏差，以及同组低频振动换能器的换能效率、频率响应的偏差，f_L、f_S与真实值f_L0、f_S0的偏差，和清洗液喷溅引起的H_L和H_S改变，持续满足侧壁共振的频率的实现难度或成本较大，如通过振动传感器追频，因而本发明中利用液体晃动令较短侧壁间歇式共振更容易实现。另外，由于侧壁振动时清洗液的运动幅度在近壁面处最大，在清洗槽侧壁间歇性的共振下，本发明提供方法方法能够驱除清洗液内部、部分被清洗物、尤其是附着于清洗槽侧壁上的气泡。

由于液体晃动来自差频振动而非侧壁共振，且间歇式的侧壁共振引起侧壁振动幅度的间歇性改变和间歇的液体喷溅，造成H_L、H_S和槽内晃动液体量的不确定，因此低频振动的差频频率实际上间歇的偏离液体的固有晃动频率，导致不稳定的液体晃动，进而引起清洗液内超声波驻波位置随机改变而非规律性扫动。

鉴于上面3段内容，对于在相对侧壁尺寸、壁厚、材料特性都相等的标准下工业生产的清洗槽，当清洗槽水平截面长宽比大于1.2时，如果水深H、f_L设定合理时，由于f_L与真实值fL0存在偏差，2个较长侧壁固有共振频率存在偏差，而较长侧壁共振时振动幅度较大，上述微小的偏差易被放大而同样引发液体晃动，也即可省略较短侧壁的低频振动。虽然此时对超声波驻波的干扰效果可能较具有2组低频振动时弱，但能够进一步降低成本。进一步，在f_L不变的情况下，引起液体晃动的f_S不止一个，而清洗槽水平截面长宽比在1.2附近时，只要满足2组相对的竖直侧壁共振频率差异为5％以上的条件，即便较短侧壁共振时振幅较小，即液体晃动时f_S的范围未能等于f_S，也能接近干扰超声波驻波位置的预期效果，这使得本发明更加易于实现。静水下，如果两个相对较短侧壁的固有共振频率有较大偏差，令f_S等于其中一个较短侧壁的f_S0，或令f_S处于两个较短侧壁固有共振频率之间即可，其原因同上面3段内容。本段描述了本发明的进一步应用和潜在优点。

同时，以0.5～3Hz的低频垂直清洗槽底部向上间断发射的超声，液面形态在声压作用下有足够的变形时间(静水时可见包状隆起)，同时确定的超声波发射频率无法与液体不确定的晃动频率相等，这进一步增加了液面的不稳定因素，干扰液体晃动的状态和侧壁的间歇性共振。另外，当本发明采用启停控制的自激式超声频电源时，与启停频率≥10Hz下的设计相比，本发明所提出的间断性工作方式还兼有延长自激式超声频电源使用寿命的潜在优点。

在应用角度，本发明不以浆片搅拌等方式为主要方法提供清洗液流动，有利于保护超声清洗所需环境。这是因为超声波声阻相差较大的界面上反射，也即超声波在清洗物表面、清洗槽内壁附有气泡时将被更多的衰减，削弱气泡处超声波清洗效果，而以浆片搅拌等方式实现清洗液流动应用中，通常包含了利用清洗液湍动来振打被清洗物体实现分离洗脱物的设计，不利于气泡的消除。本发明中低频振动能够驱赶清洗槽内壁和部分清洗物表面在超声波声压、温度升高下产生和附着的气泡，又能实现清洗槽内清洗液流动的期望。另外，清洗液喷溅由侧壁共振引起，与机械搅拌引起的液面剪切破碎相比，相对不易混入气体，清洗液从顶盖回落时所引发的气泡也可部分被向上间断发射的超声波驱除，从而抑制气泡混入清洗液影响清洗效果。

在改造设备角度，如现有超声波清洗机的清洗液液位确定，实现本发明只需增加低频振动部分和悬吊架，常用超声波清洗机的清洗槽易于符合本发明的需要，因此本发明无需完全改变现有设计。用自动控制实现附图1中“侧壁频率确定过程”或权力要求7则可以适应水位不确定时的自动化需求。

综上所述，本发明的有益效果为，通过低频振动激发2组相对的竖直侧壁共振，低频振动的差频振动引发液体晃动，令清洗液不稳定晃动、液面混乱波动和破碎，液面随机反射超声波以扰乱清洗液内超声波驻波位置，令清洗均匀来提高超声清洗效果、延长被清洗物使用寿命，是超声波清洗与低频振动的综合。侧壁共振时还会形成清洗液喷溅并形成侧壁-顶盖-清洗液的回流，并兼有驱除清洗槽内气泡的作用，在适当条件下能够省略1组低频振动，因而具易实现、绿色清洁、成本低和硬件兼容性强的特点。

附图说明

图1为本发明系统框图；

图2为本发明实施例1装置结构(部分顶盖截开)；

图3为本发明实施例检查超声波驻波时所用纵剖结构，右下为固定铝箔的塑料框架结构示意；

图4为本发明实施例1检验结果；

图5为本发明实施例2～4所用装置结构(部分顶盖截开)；

图6为本发明实施例2检验结果；

图7为本发明实施例3检验结果；

图8为本发明实施例4检验结果；

图9为本发明实施例5装置结构；

图10为本发明实施例5检验结果；

图11为本发明实施例5检验结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作详细说明，所提供图示和实施例为示例性的，不用于限制本发明及其各种实施方案。

实施例1综合性检验本发明预期的整体效果，即扰乱超声波驻波位置与驱除气泡的效果。

实施例2～4针对检验本发明预期的主要效果，即低频振动扰乱超声波驻波位置，方法、和检验方法同实施例1，装置结构类似实施例1。其中实施例2单独检验低频振动扰乱超声波驻波位置，实施例3单独检验本发明中低频振动扰乱超声波驻波位置在最不利情况下的效果，实施例4基于实施例3进一步检验省略较短侧壁低频振动时超声波驻波位置受扰乱的效果。

实施例5采用水下摄像，观测固定于清洗液内部的驻波检测试管的反光条纹对超声波驻波的响应，以直接检验本发明所述低频振动对超声波驻波位置扰乱的效果。

低频振动扰乱超声波驻波位置的效果越强，说明超声波散射程度越大，或超声波散射越均匀，超声波波腹位置越不固定。

实施例1

本实施例提供悬吊式超声波—低频振动联合清洗方法与装置，令悬吊的清洗槽在受迫振动下发生液面随机变化，抑制清洗液内超声波驻波对清洗的负面影响。装置系统图见附图1。本实施例的所用方法为，在悬吊的装有清洗液的清洗槽侧壁外施加2组频率为20～700Hz低频振动，振动频率等于2组相对侧壁的共振频率，2组低频振动的差频频率为清洗槽内液体晃动固有频率；清洗槽侧壁在低频振动激励下共振，近壁面清洗液液面破碎并喷溅至清洗槽顶盖，形成侧壁-顶盖-清洗液的回流；侧壁振动引起清洗液形成自由表面波，2组低频振动的差频振动引发液体晃动，液体晃动改变侧壁液位导致侧壁间断共振；20～80kHz的超声波以0.5～3Hz的频率间断发射；清洗液在侧壁间断共振、液体晃动、超声波声压、清洗液回流的影响下，清洗液发生混乱的液面波动与破碎，和不稳定的液体晃动，令超声波被形态随机变化的液面反射，扰乱清洗液内超声波驻波位置。本实施例所用装置结构见附图2。装置由超声部分、低频振动部分、清洗槽和悬吊架组成。超声部分由PWM-PFM发生器(1)、电子开关(2)、超声频电源(3)、超声波换能器(4)依次连接组成，超声波换能器(4)固定于清洗槽(5)底部，令超声波由清洗槽底部垂直向上发射至清洗液内部；所述低频振动部分由低频信号源(7)、功率放大器(8)、2组低频振动换能器(9)依次连接组成，每组低频振动换能器包括两个对称设置的低频振动换能器(9)；所述低频振动部分由低频信号源(7)、功率放大器(8)、2组低频振动换能器(9)依次连接组成，每组低频振动换能器包括两个对称设置的低频振动换能器(9)；低频振动换能器(9)固定于清洗槽(5)侧壁外将低频振动耦合至清洗槽(5)；清洗槽(5)内装有清洗液(6)并带有顶盖(10)，被清洗物浸没于清洗液(6)，清洗槽(5)由2～4根悬吊索(12)垂直吊在悬吊架(11)上。清洗液高度H＝7.5cm。其中清洗槽为12×20×10cm壁厚0.6mm长方体不锈钢带顶盖容器，静水状态下2组相对竖直侧壁固有共振频率f_L0和f_S0分别为198Hz和412Hz，2组共4个低频振动换能器(9)自清洗槽(5)底于高度5.5cm对称固定于4个侧壁外中央，低频振动换能器(9)由低频信号源(7)通过功率放大器(8)驱动，2组相对侧壁由2组低频振动换能器(9)分别激励。

为实现侧壁共振与液体晃动，侧壁工作频率按附图1中“侧壁频率确定过程”，或权力要求7定为f_L＝f_L0＝198Hz，f_S＝395Hz，低频信号源(7)以f_L和f_S分别开环驱动2组低频振动换能器。低频振动换能器向侧壁输入平均机械能能量密度约410W/m²，所引发的共振能够令近壁面的清洗液喷溅至顶盖以形成侧壁-顶盖-清洗液的清洗液回流。

在清洗期间，42kHz超声以垂直于静水液面的方向向上发射，在清洗液中形成平均能量密度为0.12W/cm³的声压。PWM-PFM发生器(1)产生频率f_U＝2Hz、占空比D＝0.8的方波控制电子开关(2)动作，令超声频电源(3)间断激励超声波换能器(4)制造间断的超声波。

清洗液为自来水，选用自来水是因为超声下水中溶解气体易于形成气泡并附着于清洗槽侧壁与被清洗物表面以检验驱除气泡的效果，其原理是如果气泡附着在铝箔表面，水-气泡-铝箔界面处超声的空化作用可能导致气泡所处位置铝箔凹进并留下线状至带状移动痕迹。

本实施例的检验进行两次，期间超声清洗时间分别为T₁＝75s，T₂＝125s。

对比例1

与实施例1的唯一区别是本对比例中低频振动部分不工作。

检验方法

将10μm的8.0×4.5cm铝箔固定于框架(13)中并垂直浸于清洗液内，由附图3所示，框架竖直固定于顶盖中央，保持铝箔与较短侧壁平行，令铝箔距清洗槽底部0.9cm以免铝箔过于靠近超声波换能器干扰实验，塑料为全塑料以便超声穿透。为避免可能的边缘效应与塑料框架(13)对实验的干扰，有效检验范围是铝箔中央6.3×2.9cm区域。检验时将顶盖密闭于清洗槽上以免清洗液因喷溅流失，待清洗液平静后依次启动低频信号源(5)和PWM-PFM发生器(1)，也即令低频振动部分和超声部分依次开始工作。

检验结束后将铝箔平整粘附于平面上，采集透射光的二值图像，和在低角度光照下反射光的二值图像。透射光图像中白点表示孔洞，如附图4a1中白色，是铝箔被超声的空化作用破坏而穿孔，孔洞呈集中或面积大表示穿孔处超声波声压较大，是驻波波腹的位置；如超声波散射均匀则表示孔洞稀少、尺寸小或未形成，也即透射光图像表示超声波在清洗液内的散射程度；反射光图像中黑色表示超声作用下铝箔形成的条纹状痕迹、坑点、隆起、孔洞和附着气泡的移动痕迹，如附图4a2中黑色，同样反映超声波在清洗液内的散射程度，散射越均匀则反光图像中黑色越少，反之亦然。

实施例1与对比例1的检验结果

对比例1的检验结果为附图4-a1、4-a2、4-c1和4-c2，可见两次检验均出现较大穿孔，即驻波波腹位置固定、局部铝箔受损，以及气泡移动痕迹(虚线箭头所指)，T2＝125s时受损位置附近铝箔变形较明显(实线箭头所指)，呈隆起和条纹状痕迹。实施例1的检验结果为附图4-b1、4-b2、4-d1、4-d2，无穿孔、无条纹状痕迹、无气泡移动痕迹，仅有较为分散的坑点，且凹点分布在铝箔上高度与对比例中铝箔受损高度接近，说明检验期间铝箔上无气泡附着、超声被均匀散射，原有驻波波腹位置持续变化，从而只能在累积停留时间较长的位置上出现坑点。附图4中三角横线为静水水位线。

实施例2

本实施例中清洗槽由2根悬吊索吊起以增大液体晃动的幅度，如附图5，清洗槽依靠自重和换能器平衡，清洗液高度H＝6.5cm；清洗槽为13.5×18.5×10.0cm壁厚0.6mm长方体不锈钢带顶盖容器，静水状态下2组相对竖直侧壁固有共振频率f_L0和f_S0分别为200Hz和539Hz，2组共4个低频振动换能器(9)自清洗槽(5)底于高度5.5cm对称固定于4个侧壁外中央；侧壁工作频率按附图1中“侧壁频率确定过程”，或权力要求7定为ff_L＝f_L0＝200Hz，f_S1＝299Hz和f_S2＝603Hz，低频振动换能器向侧壁输入平均机械能能量密度约890W/m²，所引发的共振能够令近壁面的清洗液喷溅至顶盖以形成侧壁-顶盖-清洗液的清洗液回流；清洗期间42kHz超声在清洗液中形成平均能量密度为0.074W/cm³的声压，并以频率f_U＝1Hz、占空比D＝0.5间断形式垂直于静水液面的方向向上发射。

清洗液为室温下放置过一段时间的自来水，是为了减少气泡的形成以针对性检验低频振动的效果。检验以f_L、f_S1和f_L、f_S2的组合各进行一次，两种组合均能引发清洗槽中液体晃动，期间超声清洗时间为T＝240s。

其余所有内容与实施例1相同。

对比例2

与实施例2的唯一区别是本对比例中低频振动部分不工作。

实施例2与对比例2的实验检验过程与结果

对比例2的检验结果为附图6-a1和6-a2，可见铝箔多个穿孔，即驻波波腹位置固定、局部铝箔受损，且受损位置附近铝箔变形较明显(箭头所指)，呈隆起和条纹状痕迹。实施例2的检验结果为附图6-b1、6-b2、6-c1、6-c2，未出现任何变化，说明检验期间超声被均匀散射。附图6中三角横线为静水水位线，附图6-a2铝箔变形位置超过水位线，是因为超声波声压引起的液面包状隆起改变了铝箔附近水位。

实施例2进行期间H_S变化幅度达约3cm，液体晃动呈波浪状，侧壁共振时清洗液喷溅至顶盖并回流的现象明确，每次晃动清洗液喷溅量约50ml，但清洗槽晃动幅度不大，也即本发明提供方法不会导致清洗槽倾翻。

实施例3

本实施例基于实施例2，由于容器非理论长方体，使得实施例2中实际超声波半波长约2.5cm，且超声波驻波波幅分布在清洗液中部(如附图6-a2两片铝箔受损区域距离)，为了获得最不利情况，针对声压最大的超声波驻波波腹，即实施例2中超声波驻波波腹位置(如附图6-a2铝箔严重受损区域)，本实施例取H＝5.9cm，目的是令静水液面处于近波节处，令目标超声波驻波波腹在检验条件下达到最大声压。同时，本发明令超声波以间断形式发射是为了增加液面的不稳定因素，也即提高超声波散射的均匀程度，因此本实施例中令超声波持续发射，以迫使超声波驻波波腹持续作用于铝箔中部，以极端条件考量低频振动干扰超声波驻波的效果。

此时静水状态下2组相对竖直侧壁的f_L0和f_S0分别为215Hz和547Hz，2组共4个低频振动换能器(9)于高度5.5cm固定于4个侧壁外中央；侧壁工作频率按附图1中“侧壁频率确定过程”，或权力要求7定为f_L＝f_L0＝215Hz，f_S1＝638Hz和f_S2＝567Hz，低频振动换能器向侧壁输入平均机械能能量密度约890W/m²，所引发的共振能够令近壁面的清洗液喷溅至顶盖以形成侧壁-顶盖-清洗液的清洗液回流；清洗期间42kHz超声在清洗液中形成平均能量密度为0.081W/cm³的声压以垂直于静水液面的方向向上发射。检验以以f_L、f_S1和f_L、f_S2的组合各进行一次，两种组合均能引发清洗槽中液体晃动，为了让实验结果明显，期间令T＝480s。

对比例3

与实施例3的唯一区别是本对比例中低频振动部分不工作。

实施例3与对比例3的实验检验过程与结果

对比例3的检验结果为附图7-a1和7-a2，可见多个穿孔，即驻波波腹位置固定、局部铝箔受损，且受损位置附近铝箔变形较明显(箭头所指)，呈隆起和条纹状痕迹。实施例3的检验结果为附图7-b1、7-b2、7-c1、7-c2，铝箔仅出现少量凹坑，说明检验期间超声被相对均匀散射。附图7中三角横线为静水水位线。

同时，实施例2～3可观察到超声波驻波波腹位置由于H的0.6cm调整而上移至铝箔中央，移动高度约1.1cm，可见随机改变液面高度对改变超声波驻波位置有直接作用，且超声波驻波移动方向不完全符合液面移动方向，超声波驻波移动距离对液面高度较为敏感，也即随机改变液面形态和高度有利于散射超声波。

实施例4

本实施例基于实施例3。由于清洗槽长宽比为1.37，本实施例关闭较短侧壁的低频振动，保持f_L＝f_L0＝215Hz，其余所有内容与实施例3相同。

对比例4

与实施例4的唯一区别是本对比例中低频振动部分不工作。

实施例4与对比例4的实验检验过程与结果

对比例4的检验结果为附图8-a1和8-a2，可见多个穿孔，即驻波波腹位置固定、局部铝箔受损，且受损位置附近铝箔变形较明显(箭头所指)，呈隆起和条纹状痕迹，因此铝箔受损的情况具有随机性，但位置固定。实施例4的检验结果为附图8-b1、8-b2，铝箔出现1个穿孔和少量凹坑，凹坑数量多于实施例3，说明检验期间超声被相对均匀散射，但散射超声的效果稍弱。附图8中三角横线为静水水位线。本实施例说明当清洗槽水平截面长宽比大于1.2时，较短侧壁的低频振动部分可省略，超声波驻波位置受扰乱的效果略有减弱。

实施例5

本实施例检验结构如附图9，将带有反光颗粒的悬浮体系(14)封闭于φ1.9cm×7.2cm透明管(15)内形成驻波检测试管(17)，将驻波检测试管(17)竖直固定在清洗槽(5)内；仅可调垂直高度的水下镜头(18)距离驻波检测试管(17)竖直对称轴6.8cm，水下镜头(18)垂直驻波检测试管(17)以采集水下1.8×

1.0cm范围的影像。为图示清楚，固定驻波检测试管(17)和水下镜头(18)的固定结构未画出。

该驻波检测试管的原理为。由于试管封闭且悬浮体系(14)密度与透明管(15)具一定差异的声阻，超声波从四周部分入射悬浮体系(14)后，在超声波传播过程中部分于悬浮体系(14)-透明管(15)界面处反射，从而在驻波检测试管(16)内部形成驻波。由于驻波检测试管(17)上下端为声阻与清洗液(6)相差较大的材料(16)，且受封闭管状的结构限制，驻波在驻波检测试管(17)内以水平形式分布。进一步，由于反光颗粒的粒径分布较窄，在悬浮体系(14)中反光颗粒缓慢下降的过程中相当于受到超声波分选，在透明管(15)内以驻波分布呈竖向带状沉降，从而形成竖向反光条纹。

在本发明中超声波部分工作时，由于驻波检测试管(17)与清洗液(6)中驻波分布方向垂直，当驻波检测试管(17)某一高度处于清洗液(6)中超声波驻波波腹时，由于清洗液(6)中超声波能够部分入射驻波检测试管(17)，超声波驻波波腹声压较高，将导致驻波检测试管(17)内悬浮体系(14)的竖向带状沉降受到局部干扰，局部竖向反光条纹消失、无法建立，或呈现为不同形式的反光条纹。由于超声波分选降低了反光颗粒的下降速度，并将反光颗粒约束在超声波驻波波节内，因此本实施例所用检验方法不会受低频振动的干扰，也能够适应较长时间的检验过程而不会因悬浮体系(14)中反光颗粒沉降过快影响检验结果。

通过上述原理，为了让驻波检测试管(17)正确响应检验清洗液(6)中超声波驻波，需要驻波检测试管(17)被浸没，即清洗液高度调整为H＝7.5cm，此时静水状态下2对竖直侧壁固有共振频率f_L0和f_S0分别为194Hz和430Hz，侧壁工作频率按附图1中“侧壁频率确定过程”，或权力要求7定为f_L＝f_L0＝194Hz，f_S1＝388Hz，低频振动换能器向侧壁输入平均机械能能量密度约890W/m²，清洗期间42kHz超声在清洗液中形成平均能量密度为0.067W/cm³的声压。本实施例中其他参数同实施例2。清洗液为室温下放置过一段时间的自来水，是为了减少气泡形成避免观察受影响。

本实施例首先检定驻波检测试管(17)的超声波封闭性能，即将水下镜头(18)调整至视场内无超声波驻波波腹的高度，开启超声部分0.5min后，即竖向反光条纹清晰后，检定结果的二值图如附图10。可见条纹清晰，可以用于本实施例的检验，附图10中央白色区域是水下辅助光源的反光光斑。

进一步，将水下镜头(18)调整至一半视场被超声波驻波波腹覆盖的高度，开启超声部分0.5min后，开启低频振动部分，期间持续录像，并捕捉指定时刻作二值化处理并横向列出，检验结果如附图11，每个分图图像左端对应水下镜头(18)视场高位。

附图11-a1为低频振动启动前2s，图像左半部为清洗液(6)超声波驻波波腹，即视场高位，可见局部反光条纹受驻波影响无法建立(分图虚线左)，即静水状态，超声波驻波波腹外，即视场低位则有逐渐显著的竖向反光条纹(分图虚线右)。附图11-b1～11-b3为低频振动启动后t_b＝1s、9s和17s，可见视场低位竖向反光条纹随低频振动消失，也即清洗液(6)中超声波驻波波腹位置变化并覆盖整个视场的高度。附图11-c1～11-c4为低频振动关闭后t_c＝0.5s、6.5s、12.5s和18.5s，期间超声波部分维持工作，可见清洗液(6)超声波驻波波腹位置复原，驻波检测试管(17)内竖向反光条纹逐渐恢复至静水状态。附图11每个分图中白色区域是水下辅助光源的反光光斑，不影响检验。

本实施例采用非二维的检验方法，验证了超声波驻波位置受低频振动扰动的效果，说明低频振动能够达到本发明所述扰乱超声波驻波位置的预期效果。

需要补充说明的是，实施例1的功率放大器(8)输入电功率为33W，实施例2～5中为64W，按生活常识，容器越大，引起容器中液体晃动更容易，也越容易获得晃动幅度越大的液体晃动状态，或容易获得较大的H_L和H_S改变幅度、与越强烈的液面随机变化，也即本发明应用在尺寸较大的容器时散射超声波的效果将更明显，且低频振动的能源消耗不大，或侧壁输入平均机械能能量密度有随清洗槽尺寸增大而降低的潜在趋势。

同时，为提供较有代表性的检验结果，本发明实施例针对相似参数以多个角度进行了检验，而提高超声波换能器功率，或提高超声在清洗液中形成平均能量密度，均与延长检验时间近似等同，因此检验结果已说明本发明提供方法与装置的实际效果。

此外，根据上述说明书解释和阐述，本发明领域的技术人员还可以根据实际情况对上述实施进行变更和修改。因此，本发明专利并不局限于上述阐述和描述的具体实施方式，对本发明的一些领域内的等同修改或变更，也应当属于本发明保护的范围之内。本发明内描述的一些专业用语，仅为了说明表达方便，并不限制本发明的内容。

Claims (7)

1.悬吊式超声波—低频振动联合清洗方法，所应用的装置，包括超声部分、低频振动部分、清洗槽和悬吊架；超声部分由PWM-PFM发生器(1)、电子开关(2)、超声频电源(3)、超声波换能器(4)依次连接组成，超声波换能器(4)耦合于清洗槽(5)底部，令超声波由清洗槽底部垂直向上发射至清洗液内部；所述低频振动部分由低频信号源(7)、功率放大器(8)、2组低频振动换能器(9)依次连接组成，每组低频振动换能器包括两个对称设置的低频振动换能器(9)；低频振动换能器(9)固定于清洗槽(5)侧壁外将低频振动耦合至清洗槽(5)；所述清洗槽(5)内装有清洗液(6)并带有顶盖(10)，被清洗物浸没于清洗液(6)，清洗槽(5)由2～4根悬吊索(12)垂直吊在悬吊架(11)上； 其特征在于，在悬吊的装有清洗液的清洗槽侧壁外施加2组频率为20～700Hz低频振动，振动频率等于2组相对侧壁的共振频率，2组低频振动的频率为清洗槽内液体晃动固有频率；洗槽侧壁在低频振动激励下共振，近壁面清洗液液面破碎并喷溅至清洗槽顶盖，形成侧壁-顶盖-清洗液的回流；侧壁的振动引起清洗液形成自由表面波，2组低频振动的差频振动引发液体晃动，液体晃动改变侧壁液位导致侧壁间断共振；20～80kHz的超声波以0.5～3Hz的频率间断发射；清洗液在侧壁间断共振、液体晃动、超声波声压、清洗液回流的影响下，清洗液发生混乱的液面波动与破碎，和不稳定的液体晃动，令超声波被形态随机变化的液面反射，扰乱清洗液内超声波驻波位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征为，超声波为20～80kHz，以垂直于静水液面的方向向上发射，在清洗液中形成平均能量密度为0.025～1W/cm³的声压，从而在被清洗物表面产生空穴作用，清洗所述表面。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征为，PWM-PFM发生器(1)产生频率为0.5～3Hz、占空比为0.1～0.9的开关信号，控制电子开关(2)的动作，令超声频电源(3)间断激励超声波换能器(4)制造间断的超声波，开关信号频率随占空比升高而升高。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征为，清洗槽器型为长方体，相对的侧壁其尺寸、壁厚、材料特性相同，较短相对侧壁对较长相对侧壁的共振频率差异为5％以上，以确保低频振动的差频振动能够引发液体晃动，2组相对侧壁由2组共4个固定于侧壁外预期液位高度附近的低频振动换能器(9)分别激励，低频振动换能器(9)由低频信号源(7)通过功率放大器(8)驱动。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征为，当清洗槽水平截面长宽比大于1.2时，较短相对侧壁的低频振动部分可省略。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征为，低频信号源(7)分别开环驱动2组低频振动换能器，为了引发液体晃动，在分别确定2组相对的竖直侧壁固有共振频率后，在2对侧壁共振的状态下改变较短相对侧壁的低频振动频率，直至差频振动引发液体晃动，此时2组低频信号频率作为清洗时所用侧壁工作频率。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征为，低频振动换能器(9)向侧壁输入平均机械能能量密度为100～1300W/m²，所引发的共振能够令近壁面的清洗液喷溅至顶盖以形成侧壁-顶盖-清洗液的清洗液回流。

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