CN112296014A - 一种声涡旋超声清洗装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种声涡旋超声清洗装置，由超声波信号发生与控制系统、功率放大系统、清洗系统。清洗系统的清洗槽内设有平台以及N个独立驱动的电声换能器。N个独立驱动的换能器分别设于清洗槽的侧壁上，以环形或聚焦等排列方式构成一组超声波发生阵列。换能器工作后可在清洗槽内产生叠加涡旋声场。涡旋波携带轴向轨道角动量，并且该轨道角动量可以传递给清洗槽内的流体，驱动流体旋转，这可以显著提高清洗槽内流体的流动速度，有利于污物层的剥离。特别地，可在清洗槽底部和顶部(清洗槽盖)各增加一个独立驱动的电声换能器，与侧壁换能器构成三组正交的超声阵列，通过信号控制终端可将流体的旋转控制维度从一维扩展至三维，进一步增强清洗效果。

Description

一种声涡旋超声清洗装置
技术领域
本发明属于超声清洗技术领域，涉及一种基于声涡旋超声清洗装置。
背景技术
超声清洗原理是利用超声波在清洗槽内的空化、加速以及直进流效应对液体和污物产生直接和间接作用，使污物层被分散、乳化、剥离，从而达到清洗目的。相较于传统的人工清洗、高压水射流清洗、有机溶剂清洗等方式，超声清洗具有无损高效、易于实现自动化、去污能力强的特点。对于精密部件或复杂工件，超声清洗是唯一能够满足其特殊技术要求的清洗方式。
普通的超声清洗技术利用单个或多个超声换能器进行工作，这些换能器工作在相同频率或不同频率。改进的超声清洗技术有多频清洗、扫描和调频清洗、高频超声波清洗等。这些超声清洗技术对换能器的相位没有特殊控制，清洗槽内存在的主要是由平面波发射和反射形成的叠加驻波场。在这种情况下清洗槽内的流体流动速度有限，不利于污物层的剥离。
近年来，声涡旋产生技术逐步成熟，人们可以利用多声源阵列和相位控制技术在流体中产生声涡旋。研究表明声涡旋可驱动流体旋转，这可以提高清洗槽内流体的流动速度，有利于污物层的剥离。因此，我们有必要在传统超声清洗技术中引入声涡旋产生技术，进一步提升清洗效率。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种声涡旋超声清洗装置，将声涡旋产生技术应用于超声清洗领域，设计出一种高效的声涡旋超声清洗装置，能够进一步提升超声清洗效率，扩大超声清洗应用范围。
技术方案
一种声涡旋超声清洗装置，其特征在于包括超声波信号发生与控制系统1、功率放大系统2、清洗槽3、N电声换能器4、升降支架6、清洗物放置平台7、清洗槽盖8、超声发射端9和手套操作接口10；升降支架6位于清洗槽3内的下端，升降支架6上设有清洗物放置平台7；清洗槽3上方设有清洗槽盖8，侧边设有手套操作接口10；N电声换能器4设于清洗槽3侧壁上；所述N电声换能器4的电输入端与功率放大系统2的输出端连接，功率放大系统2的输入端与超声波信号发生与控制系统1的输出端连接；超声波信号发生与控制系统1通过功率放大系统2控制N电声换能器4驱动电声换能器工作；所述N电声换能器4工作在同一频率，相邻两个换能器之间的相位差相同，相位差为2π或2π的整数倍除以清洗槽侧壁电声换能器的总个数。
在清洗槽底部或顶部设有独立驱动的电声换能器，且侧壁换能器构成三组正交的超声阵列。
所述N个独立驱动的换能器以环形或聚焦的排列方式。
所述相位差为分数倍除以清洗槽侧壁电声换能器的总个数。
所述电声换能器4与安装侧臂部位设有密封线圈5。
所述清洗槽形状不限于立方体、正多面体或圆柱体结构。
所述正多面体包括但不限于正五面体或正六面体。
有益效果
本发明提出的一种声涡旋超声清洗装置，由超声波信号发生与控制系统1、功率放大系统2、清洗系统三部分组成。超声波信号发生与控制系统包括超声波发生器和信号控制终端两部分。超声波发生器用以产生与电声换能器工作频率一致的超声信号，信号控制终端负责调控相邻换能器之间的相位差。功率放大系统用于将超声信号放大以驱动电声换能器工作。并且在清洗过程中，通过功率放大系统可以实时调节清洗功率，控制清洗槽内流体的流动速度。清洗系统包括清洗槽、清洗物件放置平台以及N个独立驱动的电声换能器。清洗槽可为正多面体结构，如正五面体、正六面体等，亦可为圆柱体、半球体等结构。N个独立驱动的换能器分别设于清洗槽的侧壁上，以环形或聚焦等排列方式构成一组超声波发生阵列。换能器振动输出端连接超声发射端，声发射端面可以是平面、凹面等形状。N个独立驱动的电声换能器均工作在同一频率，相邻两个换能器之间的相位差相同，为2π或2π的整数倍(也可以是分数倍)除以清洗槽侧壁电声换能器的总个数。换能器工作后可在清洗槽内产生叠加涡旋声场。与常见的平面波(或柱面波、球面波)不同，涡旋波携带轴向轨道角动量，并且该轨道角动量可以传递给清洗槽内的流体，驱动流体旋转，这可以显著提高清洗槽内流体的流动速度，有利于污物层的剥离。特别地，可在清洗槽底部和顶部(清洗槽盖)各增加一个独立驱动的电声换能器，与侧壁换能器构成三组正交的超声阵列，通过信号控制终端可将流体的旋转控制维度从一维扩展至三维，进一步增强清洗效果。
本发明装置将涡旋声场产生技术应用于超声清洗领域，因涡旋声场携带的轴向轨道角动量可以传递给流体，驱动其旋转，能够显著增强清洗槽内流体流动，进一步提高清洗效率，扩大超声清洗的应用范围。
附图说明
图1：本发明装置的结构示意图
图2：图1清洗系统的俯视图
图3：本发明一个具体实施例的正视图
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
图1为本发明装置的结构示意图，包括超声波信号发生与控制系统1，功率放大系统2清洗槽3，电声换能器4，密封线圈5，升降支架6，清洗物放置平台7，清洗槽盖8，超声发射端9，手套操作接口10。本实施例中，清洗槽3为立方体结构，侧壁中心各开一个与电声换能器4结构匹配的接口并通过密封线圈5进行密封处理，清洗槽3底部中心设有一可升降支架6，上端连接清洗物放置平台7，清洗槽盖8设于清洗槽3的顶部，可开合。电声换能器4的振动输出端位于清洗槽3内侧，与超声发射端9连接；电能输入端与功率放大系统2的电能输出接口相连接并置于清洗槽3外侧。超声波信号发生与控制系统1的信号输出端与功率放大系统2的信号输入接口相连接。
其中清洗槽3的结构不限于立方体，也可为任意数目的正多面体，如正五面体、正六面体等，亦可为圆柱体等结构。N个独立驱动的电声换能器4分别设于清洗槽的侧壁上。特别地，除侧壁换能器外，还可在清洗槽3的底部和清洗槽盖8各增设一个独立驱动的电声换能器，与侧壁换能器构成正交的超声阵列，可将流体的旋转控制维度从一维扩展至三维，进一步增强清洗效果。
所有电声换能器4工作在同一频率，相邻换能器之间的相位差相等，为2π或2π的整数倍(也可以是分数倍)除以清洗槽3侧壁电声换能器的总个数，电声换能器4的工作频率、相位均由超声波信号发生与控制系统1进行控制，超声发射功率由功率放大系统2控制。
本实施例中，位于清洗槽3侧壁的电声换能器4，其对称轴处在同一圆平面内，围成一组环形超声波发生阵列。当换能器阵列工作后，超声发射端9向清洗槽3内辐射超声波，多路超声波叠加形成涡旋声场。与常见的平面波(或柱面波、球面波)不同，涡旋波携带轴向轨道角动量，并且该轨道角动量可以传递给流体，驱动其旋转，能够显著提高清洗槽内流体的流动速度，有利于污物层的剥离。
功率放大系统2的作用是将超声波信号发生与控制系统1输出的小振幅电信号进行放大，从而驱动电声换能器4工作。并且在清洗过程中可以根据实际情况实时调节超声功率，控制清洗槽3内流体的流动速度。
手套操作接口10设于清洗槽侧壁上，用以在清洗槽盖8闭合时调节升降支架6的高度，将待清洗物件移动至最佳清洗位置。
下面结合本发明的一个具体实施例和附图3，对本发明作进一步介绍说明：
本实施例中，清洗槽3为立方体结构，材质为不锈钢，六个工作频率相同的电声换能器4分别设于清洗槽3侧壁、底部中心以及清洗槽盖8的中心，形成三维正交的环形超声波发生阵列。
电声换能器4的作用是将由超声波信号发生与控制系统1发出并经功率放大系统2放大的电信号转化为机械振动并通过超声发射端9输出，从而将超声能量传递到清洗液中。本实施例中电声换能器4的工作频率为28kHz，相邻两个换能器的相位差为π/2，超声发射端平均辐射声强为1W/cm3。超声发射端9为平面，材质为高强钛合金。
实施过程：
(1)通过超声波信号发生与控制系统1设定超声清洗的工作频率以及电声换能器4的相位。
(2)启动功率放大系统2，令清洗槽2侧壁的四个电声换能器工作，在清洗槽3内生成稳定的涡旋声场，进而驱动清洗液旋转。
(3)待清洗液旋转稳定后，利用手套操作接口10将待清洗物件移动至涡旋中心位置。
(4)合上清洗槽盖8，设定清洗时间和超声功率。
(5)为使清洗效果进一步增强，启动设于清洗槽底部和清洗槽盖的电声换能器，通过控制和改变各电声换能器的相位，使清洗液在清洗槽3内依次实现不同方向的旋转。
(6)关闭电源，打开清洗槽盖8，取出清洗物件并吹干，完成清洗过程。

Claims (7)

1.一种声涡旋超声清洗装置，其特征在于包括超声波信号发生与控制系统(1)、功率放大系统(2)、清洗槽(3)、N电声换能器(4)、升降支架(6)、清洗物放置平台(7)、清洗槽盖(8)、超声发射端(9)和手套操作接口(10)；升降支架(6)位于清洗槽(3)内的下端，升降支架(6)上设有清洗物放置平台(7)；清洗槽(3)上方设有清洗槽盖(8)，侧边设有手套操作接口(10)；N电声换能器(4)设于清洗槽(3)侧壁上；所述N电声换能器(4)的电输入端与功率放大系统(2)的输出端连接，功率放大系统(2)的输入端与超声波信号发生与控制系统(1)的输出端连接；超声波信号发生与控制系统1通过功率放大系统(2)控制N电声换能器(4)驱动电声换能器工作；所述N电声换能器(4)工作在同一频率，相邻两个换能器之间的相位差相同，相位差为2π或2π的整数倍除以清洗槽侧壁电声换能器的总个数。
2.根据权利要求1所述声涡旋超声清洗装置，其特征在于：在清洗槽底部或顶部设有独立驱动的电声换能器，且侧壁换能器构成三组正交的超声阵列。
3.根据权利要求1所述声涡旋超声清洗装置，其特征在于：所述N个独立驱动的换能器以环形或聚焦的排列方式。
4.根据权利要求1所述声涡旋超声清洗装置，其特征在于：所述相位差为分数倍除以清洗槽侧壁电声换能器的总个数。
5.根据权利要求1所述声涡旋超声清洗装置，其特征在于：所述电声换能器(4)与安装侧臂部位设有密封线圈(5)。
6.根据权利要求1所述声涡旋超声清洗装置，其特征在于：所述清洗槽形状不限于立方体、正多面体或圆柱体结构。
7.根据权利要求6所述声涡旋超声清洗装置，其特征在于：所述正多面体包括但不限于正五面体或正六面体。
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