黃志超，涂林鵬，劉舉平，黃 薇，韓志利

（1. 華東交通大學(xué)載運(yùn)工具與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌330013；2. 中車(chē)洛陽(yáng)機(jī)車(chē)有限公司，河南 洛陽(yáng)471002）

現(xiàn)如今，超聲波清洗技術(shù)已成為諸多工業(yè)生產(chǎn)以及科學(xué)與醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域中的常規(guī)技術(shù)[1]。超聲波具有波長(zhǎng)短、能量集中、穿透力強(qiáng)等特性，在液體中產(chǎn)生空化效應(yīng)發(fā)揮作用，因此可以利用超聲波清洗那些構(gòu)造精密，傳統(tǒng)清洗方式不能達(dá)到的地方，如存在盲孔、縫隙等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的工件，同時(shí)其所具備的能量可以高效去除附著力強(qiáng)、難溶解性的污漬，大大縮減清洗工時(shí)，從而減少對(duì)工件清洗過(guò)程中的損傷，保證工件的使用壽命[2]。 超聲波清洗設(shè)備首次應(yīng)用于20 世紀(jì)50 年代，主要應(yīng)用于機(jī)械零部件以及醫(yī)學(xué)材料的表面清洗，隨著超聲波電源及換能器技術(shù)的發(fā)展，超聲波清洗機(jī)體積更小，效率更高，例如在汽車(chē)減震器復(fù)雜的金屬零件[3]、軸承[4]這類(lèi)拆卸困難并且結(jié)構(gòu)精密復(fù)雜的部件，超聲波清洗技術(shù)便大大提高清洗效率。 直到近幾年，隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)發(fā)展與運(yùn)用，超聲波清洗機(jī)從半自動(dòng)化向全自動(dòng)化，多功能一體式發(fā)展。

隨著生產(chǎn)技術(shù)的提高，產(chǎn)品精度越來(lái)越高，結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，超聲波清洗工藝也要求更高的清洗質(zhì)量，不少研究人員對(duì)超聲波清洗技術(shù)中的各個(gè)方面進(jìn)行了大量的研究，研究超聲空化效應(yīng)的形成、空化強(qiáng)度測(cè)量以及超聲波清洗效果的影響因素等問(wèn)題對(duì)于改進(jìn)優(yōu)化超聲波清洗工藝，能夠?yàn)槌暡ㄇ逑丛O(shè)備提供設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。研究者從建立動(dòng)力學(xué)模型，利用數(shù)值模擬以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等方法，到控制系統(tǒng)中的算法研究等來(lái)實(shí)現(xiàn)清洗設(shè)備各系統(tǒng)間的完美匹配，進(jìn)而提高超聲波的清洗質(zhì)量。

1 超聲清洗技術(shù)理論研究

1.1 空化效應(yīng)的觀測(cè)

超聲波在液體中會(huì)產(chǎn)生空化、乳化、化學(xué)反應(yīng)以及熱效應(yīng)等多種效應(yīng)，早期Rozenberg L[5]利用高速攝影機(jī)觀察超聲波在液體中產(chǎn)生了大量的“氣泡”，在這些“氣泡”的作用下去除了污染物，認(rèn)為超聲波在液體中主要是靠空化效應(yīng)發(fā)揮了清洗作用，然而由于技術(shù)水平的局限性，很難觀測(cè)出空化氣泡從形成到潰滅過(guò)程的機(jī)理。 隨著影像科技水平的提高，李彬[6]等利用影像設(shè)備觀測(cè)到空化氣泡在超聲波聲場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)行為，探測(cè)醫(yī)學(xué)用途中微泡在超聲波頻率激勵(lì)下振動(dòng)的半徑變化，但對(duì)于氣泡起振的初始狀態(tài)無(wú)法確定。 白立新[7]等則采用超高速顯微成像裝置、水聽(tīng)器、示波器以及空化實(shí)驗(yàn)裝置等對(duì)空化氣泡的形成及分布進(jìn)行觀測(cè)，并且通過(guò)控制空化的產(chǎn)生以及壓力分布探討了幾種典型：錐形、柱形、樹(shù)枝狀、拖尾狀以及射流型結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系。此外，Tiong T J[8]等利用聲致發(fā)光圖像技術(shù)來(lái)觀測(cè)液體超聲場(chǎng)中的空化分布情況， 同時(shí)利用Comsol 進(jìn)行數(shù)值模擬與觀測(cè)圖像進(jìn)行比較。 如圖1（a）所示，超聲波在液體中呈輻射傳播，清洗槽中多個(gè)超聲波源與超聲波的反射波疊加形成共振波如圖1（b）所示，圖2 所示的空化區(qū)域就主要發(fā)生在共振波集中的區(qū)域。

圖1 超聲波在液體中的傳播Fig.1 Propagation of ultrasonic waves in liquids

圖2 空化效應(yīng)的產(chǎn)生Fig.2 The generation of cavitation effect

1.2 空化氣泡的運(yùn)動(dòng)特性

通過(guò)許多研究者對(duì)于空化效應(yīng)的觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)空化泡在聲場(chǎng)中一直處于運(yùn)動(dòng)或振蕩狀態(tài)，并且隨外界條件的不同，如聲壓、頻率等聲學(xué)參數(shù)，液體物理屬性以及氣泡初始半徑等，呈現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)空化強(qiáng)度不盡相同，這類(lèi)現(xiàn)象將大大影響超聲波清洗的效果。 最早由Rayleigh[9]在未考慮液體可壓縮性、表面張力以及液體粘性的情況下，建立了以半徑為動(dòng)力學(xué)參數(shù)的球形氣泡動(dòng)力學(xué)方程，之后Plesset[10]等對(duì)Rayleigh 方程進(jìn)行修正得出符合實(shí)際場(chǎng)景的Rayleigh-Plesset（R-P）動(dòng)力學(xué)方程，計(jì)算更為準(zhǔn)確。 但R-P 方程是建立在氣泡小振幅運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，同時(shí)要考慮到空化氣泡在超聲場(chǎng)中的非球形狀態(tài)，Leighton[11]推導(dǎo)出以體積為動(dòng)力學(xué)參數(shù)的R-P 方程，具有更大的計(jì)算精度。 羅賢能[12]等忽略液體壓縮，氣泡內(nèi)蒸汽壓等情況，用Matlab 對(duì)單一空化氣泡的理想模型進(jìn)行R-P 方程計(jì)算，計(jì)算空化的諧振頻率和氣泡共振半徑，模擬不同頻率參數(shù)以及對(duì)比三角波、方波和正弦波信號(hào)對(duì)氣泡產(chǎn)生到潰滅時(shí)運(yùn)動(dòng)特性的影響，得知單一的增加頻率，不一定能增強(qiáng)空化效果，方波信號(hào)比其它信號(hào)激勵(lì)下的空化效果要好。 沈壯志[13]等則根據(jù)實(shí)際條件，同時(shí)考慮了氣泡運(yùn)動(dòng)時(shí)向液體輻射聲波而存在的輻射阻尼，討論了頻率以及初始半徑對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)的影響，結(jié)果表明，超聲頻率小于共振頻率時(shí)，空化氣泡的數(shù)量逐漸增多，頻率增大時(shí)，空化泡難以被壓潰，只能往復(fù)振蕩運(yùn)動(dòng)，空化效果減弱，同樣對(duì)于初始半徑大于共振半徑的空化氣泡，在聲場(chǎng)中也做振蕩運(yùn)動(dòng)不會(huì)被壓潰，小于初始半徑則會(huì)在負(fù)壓作用下增大到共振半徑壓潰。 龐昊斐[14]等通過(guò)數(shù)值模擬的方法，建立以水為清洗液體環(huán)境中的空化氣泡動(dòng)力學(xué)模型，模擬清洗溫度從0～80 ℃空化效果的影響。發(fā)現(xiàn)隨著溫度升高，液體的表面張力和粘性下降，氣泡具有更快的膨脹的速度，且從生成到湮滅的時(shí)間縮短為原來(lái)的三分之一，在50 ℃左右的溫度下空化氣泡膨脹半徑最大，空化強(qiáng)度達(dá)到最大，而溫度的變化幾乎不影響空化氣泡的運(yùn)動(dòng)特性。

許多學(xué)者對(duì)空化氣泡的運(yùn)動(dòng)特性做了數(shù)值分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，但在實(shí)際超聲波清洗中超聲波聲場(chǎng)同時(shí)存在清洗對(duì)象的固態(tài)界面，這類(lèi)情況下的空化氣泡運(yùn)動(dòng)特征直到近幾年，一些學(xué)者才開(kāi)始涉足研究。 實(shí)際上，早在1966 年，Benjamin[15]首次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 空化氣泡在固態(tài)界面上下受力不均勻時(shí)，可能產(chǎn)生一束高速微射流穿過(guò)氣泡沖擊在固體面上。Brujan[16]和Ikeda T[17]則測(cè)量了微射流的速度及沖擊強(qiáng)度，計(jì)算出在特定頻率激勵(lì)下的空化氣泡能產(chǎn)生80～130 m/s 的微射流，沖擊強(qiáng)度達(dá)到1.3 GPa。 Vignoli[18]則研究微射流的產(chǎn)生條件，發(fā)現(xiàn)氣泡只有在潰滅速度遠(yuǎn)大于聲波傳播速度的情況下產(chǎn)生微射流，圖3 所示為超聲空化氣泡潰滅產(chǎn)生的微射流效應(yīng)作用在固體污染物上，實(shí)現(xiàn)清洗效果。 郭策[19]等建立剛性界面附件的空化氣泡動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算對(duì)比自由界面下的空化氣泡運(yùn)動(dòng)特征，發(fā)現(xiàn)剛性界面的存在對(duì)氣泡的振蕩起抑制的作用，影響氣泡的潰滅速度，通過(guò)研究氣泡潰滅速度與微射流的關(guān)系發(fā)現(xiàn)控制潰滅速度可以達(dá)到控制微射流的目的。 葉林征[20]等基于耦合歐拉-拉格朗日( CEL) 方法建立了超聲空化微射流沖擊壁面模型，探討微射流沖擊固態(tài)界面的角度對(duì)沖擊強(qiáng)度的影響，在一定角度范圍內(nèi)，微射流沖擊強(qiáng)度會(huì)隨角度增大而加強(qiáng)，隨著角度的增大，對(duì)剛性界面的沖擊強(qiáng)度減弱。 葉林征[21]等還通過(guò)建立微射流-固態(tài)界面的固流耦合模型，通過(guò)固態(tài)模型反向推演微射流的最佳速度和空化強(qiáng)度，為微射流的控制提供理論參考。

圖3 超聲空化除污過(guò)程Fig.3 Ultrasonic cavitation decontamination process

1.3 空化強(qiáng)度的測(cè)量

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于空化強(qiáng)度的測(cè)量方法做了許多研究。 王向紅[22]等通過(guò)鋁箔腐蝕實(shí)驗(yàn)的方式較直觀測(cè)量超聲空化強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)鋁箔腐蝕的區(qū)域主要分布于清洗槽的中間部位。 李超[23]等通過(guò)氣泡破裂時(shí)產(chǎn)生的噪聲脈沖信號(hào)強(qiáng)度來(lái)體現(xiàn)空化的強(qiáng)弱，Verhaagen B[24]等則提出一種具有高空間分辨率和時(shí)間分辨率的“理想傳感器”來(lái)測(cè)量空化情況。 然而，由于傳感器在超聲波聲場(chǎng)中會(huì)受到干擾，以及鋁箔腐蝕等方法靈敏度不高，不能完全反映液體中的空化情況，Saalbach K A[25]等通過(guò)利用自感知技術(shù)檢測(cè)超聲波在液體中的空化效應(yīng)，則利用超聲波換能器中頻率分量的電信號(hào)去自感知檢測(cè)液體中的空化情況，檢測(cè)出空化的產(chǎn)生（空化閾值的大?。?，超諧波（空化強(qiáng)度最大）的產(chǎn)生、大小、分布區(qū)域與換能器頻率的大小，換能器面積以及距離的相關(guān)性。近年來(lái)，眾多研究人員關(guān)于空化強(qiáng)度概念表述問(wèn)題提出了質(zhì)疑，沈建中[26]認(rèn)為空化氣泡產(chǎn)生的大小、數(shù)量只能反應(yīng)某種單一條件（頻率、功率等）下空化的狀態(tài)，鋁箔腐蝕、聲致發(fā)光和噪聲測(cè)量的方法也只是反映空化完成之后的清洗效果，不能表示空化過(guò)程中的強(qiáng)烈程度。 吳鵬飛[27]等引入了空化狀態(tài)變量的新概念，通過(guò)空化狀態(tài)變量的起伏變化來(lái)表述空化強(qiáng)烈程度。

1.4 影響超聲波清洗的其他因素

超聲波清洗效果的影響因素主要來(lái)自三個(gè)方面（如圖4 所示）。 其中，清洗設(shè)備參數(shù)中的功率，頻率、清洗時(shí)間以及清洗液的溫度和流動(dòng)速度等會(huì)影響超聲波在液體中的空化效應(yīng)，清洗劑的溶解力和酸堿性則會(huì)影響除污效果，工件的結(jié)構(gòu)和擺放位置則與超聲波的傳播衰減有關(guān)。

圖4 超聲波清洗的主要影響因素Fig.4 Main influencing factors of ultrasonic cleaning

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者從空化氣泡動(dòng)力學(xué)的角度對(duì)空化效應(yīng)的影響因素做了大量的研究，不少人也從清洗設(shè)備的聲學(xué)參數(shù)對(duì)清洗效果進(jìn)行探究。Worapol T[28]等通過(guò)Ansys Workbench 對(duì)清洗槽進(jìn)行諧響應(yīng)分析，模擬在方形槽內(nèi)，在換能器數(shù)目相同的情況下，換能器不同放置位置頻率在28 kHz 和40 kHz 時(shí)槽內(nèi)聲壓場(chǎng)情況，發(fā)現(xiàn)換能器同時(shí)底面放置和側(cè)面放置時(shí)28 kHz 和40 kHz 都能得到比全部底面放置時(shí)更高的聲壓強(qiáng)度，且40 kHz 時(shí)聲場(chǎng)分布比28 kHz 更均勻。 曾照彬[29]利用Matlab 仿真槽內(nèi)的聲場(chǎng)情況，對(duì)比研究功率，換能器半徑、頻率、發(fā)射角度的影響規(guī)律。 發(fā)現(xiàn)聲場(chǎng)強(qiáng)度與傳播距離的平方成反比，與功率的平方根成正比，并在一定程度時(shí)達(dá)到飽和。 同時(shí)聲場(chǎng)強(qiáng)度也隨換能器半徑和頻率的增大而增大，半徑持續(xù)增大聲場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)增大但使得橫向聲場(chǎng)范圍縮小，頻率則是縱向聲場(chǎng)范圍增大但強(qiáng)度減弱。楊景[30]等研究強(qiáng)超聲作用下空化的反常衰減問(wèn)題，功率會(huì)影響單位時(shí)間或空間內(nèi)的空化氣泡數(shù)量，增大功率，清洗槽內(nèi)空化氣泡的密度增加，但是持續(xù)增大，產(chǎn)生大量氣泡增加了超聲波在清洗槽內(nèi)的非線(xiàn)性衰減，超聲波能降低，清洗效果下降。陳偉中[31]則發(fā)現(xiàn)空化衰減的原因在于大功率下的空化氣泡數(shù)量多，加劇空化氣泡的非線(xiàn)性振蕩，吸收更多的諧波能量，這稱(chēng)為“空化屏蔽”現(xiàn)象，并提出一種改善空化均勻性的方法。朱秀麗[32]等利用聲致發(fā)光原理通過(guò)微光測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量溫度從6～85 ℃時(shí)的聲致發(fā)光強(qiáng)度，空化強(qiáng)度大，對(duì)應(yīng)的聲致發(fā)光強(qiáng)度也越大。 發(fā)現(xiàn)溫度逐漸升高到55 ℃時(shí)光強(qiáng)度達(dá)到最大值，隨后溫度升高，強(qiáng)度減小。

Niemczewski B[33]等研究了清洗液的酸堿性對(duì)清洗效果的影響，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比同等濃度的堿性清洗液的情況下得出加入亞硫酸氫鈉使得清洗液堿性降低具有更好的空化效果，然后為進(jìn)一步探究，Niemczewski B[34]又對(duì)比了清洗液濃度酸性1%～7%（w/w）情況下對(duì)空化效果的影響，發(fā)現(xiàn)隨著酸濃度的逐漸升高，空化效應(yīng)強(qiáng)度無(wú)明顯變化，甚至頻率在36 kHz 時(shí)強(qiáng)度稍有增大。

此外周?chē)沫h(huán)境也會(huì)影響超聲波清洗效果。 2015 年，吳強(qiáng)[35]等利用數(shù)值模擬計(jì)算環(huán)境壓力對(duì)清洗槽內(nèi)空化效應(yīng)的影響規(guī)律，得出環(huán)境壓力在小于清洗槽內(nèi)的聲壓場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，空化情況受聲壓場(chǎng)的影響更大，而隨著環(huán)境壓力的升高，空化強(qiáng)度將大大降低。

數(shù)值模擬和空化實(shí)驗(yàn)均能夠得出各個(gè)清洗條件參數(shù)對(duì)超聲波清洗的影響規(guī)律， 而最后的清洗效果，以及對(duì)于最佳的清洗參數(shù)要取決于超聲波清洗對(duì)象。Svetsky S[36]等對(duì)超聲波清洗后的實(shí)驗(yàn)電路板進(jìn)行檢測(cè)，主要檢測(cè)：污漬殘余、清洗劑殘余以及導(dǎo)電情況。Leite F P[37]等比較研究了不同腐蝕時(shí)間，氫氟酸腐蝕清洗以及超聲波清洗對(duì)樹(shù)脂與長(zhǎng)石陶瓷微拉伸結(jié)合強(qiáng)度穩(wěn)定性的影響， 最后發(fā)現(xiàn)清洗時(shí)間對(duì)結(jié)合強(qiáng)度無(wú)顯著影響，而超聲波清洗提高了結(jié)合強(qiáng)度的穩(wěn)定性。 Kim T H[38]等則直接從微觀上探究空化氣泡破裂時(shí)的潰滅機(jī)制，發(fā)現(xiàn)空化氣泡的破裂時(shí)的振蕩行為有：體積振蕩、形狀振蕩、分裂和混沌振蕩4 種類(lèi)型，而其中氣泡的分裂和混沌振蕩會(huì)造成半導(dǎo)體等電子材料表面損壞。孔祥禎[39]等則是在不同的清洗功率，清洗溫度以及清洗劑的濃度下對(duì)電路板進(jìn)行超聲波清洗，先通過(guò)Matlab 計(jì)算得出超聲功率在900 W，清洗溫度60 ℃以及1∶100（w/w）的清洗液濃度時(shí)清洗效果最佳，實(shí)驗(yàn)清洗同樣也發(fā)現(xiàn)提升溫度對(duì)清洗效果有顯著提高，而隨著溫度的繼續(xù)升高影響了清洗液的溶解力使得同等濃度下的清洗效果下降，而且會(huì)燒蝕電路板。 加大功率清洗則會(huì)對(duì)電路板造成腐蝕損壞。

2 超聲系統(tǒng)的研究

清洗槽、換能器以及超聲波發(fā)生器是組成超聲波清洗機(jī)必不可少的一部分（如圖5 所示）。 設(shè)備研制的重點(diǎn)在于清洗機(jī)的超聲換能系統(tǒng)，即由超聲波電源與超聲波換能器組成的系統(tǒng)，二者之間的相互匹配問(wèn)題是超聲系統(tǒng)研發(fā)的主要問(wèn)題。

2.1 超聲波換能器

1917 年，Langevin P 發(fā)明了夾心式壓電換能器（如圖6 所示），1933 年磁致伸縮式換能器以高強(qiáng)度、高穩(wěn)定性代替了壓電換能器，直到1950 年代，Jaffe 等采用鋯鈦酸鉛（PTZ）作為壓電材料，發(fā)現(xiàn)其具有更高的機(jī)械強(qiáng)度以及機(jī)電轉(zhuǎn)換率。1956 年，Mason M P[42]發(fā)明了超聲變幅桿與壓電換能器連接獲得更大的振動(dòng)位移和幅值，起到聚能高效傳遞能量的作用。

圖5 超聲波清洗機(jī)主要結(jié)構(gòu)Fig.5 Main structure of ultrasonic cleaning machine

圖6 夾心式壓電陶瓷換能器Fig.6 Sandwich piezoelectric ceramic transducer

換能器所產(chǎn)生的聲場(chǎng)分布情況將直接影響超聲波的空化效應(yīng)，另外，換能器的指向性和阻抗匹配問(wèn)題也是換能器技術(shù)的關(guān)鍵，換能器的指向性指的是換能器的發(fā)射響應(yīng)與接受響應(yīng)隨幅值的方位角變化而變化的一種特性，它反映了超聲波的聲場(chǎng)分布以及在換能器主軸方向的集中程度。Elko[43]等提出通過(guò)計(jì)算機(jī)計(jì)算測(cè)量源與接收器之間傳遞函數(shù)的譜密度方差的新方法來(lái)測(cè)量換能器的指向性， 此種方法具有一定的局限性，容易受到外界因素的影響產(chǎn)生誤差。 郭世旭[44]等采用基于四元十字陣的測(cè)量方法測(cè)量并驗(yàn)證換能器的指向性，利用四元十字陣的延時(shí)誤差對(duì)換能器進(jìn)行定位，確定十字陣陣元與換能器的相對(duì)方位關(guān)系，進(jìn)而確定換能器的指向性。Moulin E[45]等分析了換能器的相互作用對(duì)指向性的影響，為實(shí)際使用中超聲換能器的陣列方式提供參考。王丹[46]等研究了柱狀線(xiàn)陣列換能器的指向性，探討換能器陣列方式、間距、數(shù)目對(duì)指向性的影響，得出換能器過(guò)多，陣元間距小會(huì)影響換能器陣列的整體聚焦性，換能器的集中程度下降的影響。 關(guān)于換能器的阻抗匹配則關(guān)系到換能器的電聲轉(zhuǎn)換效率，Silva F G S[47]提出一種基于多諧振電路的無(wú)開(kāi)關(guān)多頻帶阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，該方法能夠在指定頻率下提供短路和開(kāi)路條件，從而使電容器和電感能夠或不能形成多頻帶阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。 韓麗軒[48]等對(duì)傳統(tǒng)LC 型匹配電路進(jìn)行改進(jìn)，增加可調(diào)元件對(duì)換能器進(jìn)行匹配失調(diào)補(bǔ)償，并開(kāi)發(fā)了參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件。

2.2 頻率自動(dòng)跟蹤技術(shù)

設(shè)備運(yùn)行時(shí)，清洗槽底部的換能器能良好的傳遞并轉(zhuǎn)換超聲波電源發(fā)出的激勵(lì)信號(hào)，系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài)，稱(chēng)為諧振工作狀態(tài)，此時(shí)換能器輸出的工作頻率為諧振頻率。 然而由于負(fù)載的變化以及設(shè)備老化等問(wèn)題，陶瓷元件的介電損耗增加使得諧振頻率發(fā)生偏移，造成超聲波電源與換能器不匹配而大大降低清洗效率，甚至縮減系統(tǒng)使用壽命。

為了換能器的吸收，功率能夠隨負(fù)載的變化而變化，使換能器一直處于諧振工作狀態(tài)，因此借助算法實(shí)現(xiàn)超聲波發(fā)生器對(duì)頻率的快速跟蹤[49]。 頻率跟蹤（如圖7 所示）就是將換能器諧振頻率的偏移反饋給控制單元，重新匹配激勵(lì)信號(hào)給換能器，使換能器工作狀態(tài)始終接近諧振頻率。 目前已經(jīng)有多種實(shí)現(xiàn)頻率自動(dòng)跟蹤的控制電路：鎖相環(huán)集成電路、電流動(dòng)態(tài)反饋電路、最大功率檢測(cè)電路以及差動(dòng)變量器橋式電路[50]等。

圖7 頻率跟蹤策略Fig.7 Frequency tracking

超聲換能系統(tǒng)是非線(xiàn)性的系統(tǒng)，很難得到精確的數(shù)學(xué)算法模型，傳統(tǒng)的算法冗長(zhǎng)復(fù)雜，滿(mǎn)足不了控制精度，這也是頻率跟蹤技術(shù)一直面臨的問(wèn)題，廖曉輝[51]等將比例-積分控制（proportional integral controller）與模糊動(dòng)態(tài)模型（fuzzy dynamic model） 控制相結(jié)合的模糊PI 控制算法來(lái)提高頻率跟蹤系統(tǒng)參數(shù)自整定能力。Jittakort J[52]等結(jié)合鎖相環(huán)電路控制采用非對(duì)稱(chēng)電壓抵消的方法來(lái)控制輸出功率使得清洗過(guò)程中逆變器的開(kāi)關(guān)頻率自動(dòng)調(diào)整，以保持負(fù)載參數(shù)變化時(shí)的滯后相位。張青[53]則在此基礎(chǔ)上分別試驗(yàn)對(duì)比分析模糊PI 控制、比例-積分-微分控制（proportional integral differential controller）以及基于魯棒控制理論的前饋控制算法的控制效果，結(jié)果表明模糊PI 控制算法的控制效果非常穩(wěn)定，具有很高的自適應(yīng)性能。 魯棒控制雖然具備更高的控制精度和穩(wěn)定性，但算法過(guò)程很復(fù)雜，對(duì)超聲波電源有較高的硬件要求。

3 超聲波清洗機(jī)的應(yīng)用

由于清洗對(duì)象的不同，清洗設(shè)備的種類(lèi)也多種多樣，例如有的體積小設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有的則大到需要依靠龍門(mén)吊吊裝輔助。超聲波清洗不再僅局限于工業(yè)生產(chǎn)中，近年來(lái)，在工業(yè)維護(hù)領(lǐng)域以及再制造行業(yè)中應(yīng)用越發(fā)廣泛。 汽車(chē)廢舊發(fā)動(dòng)機(jī)在制造行業(yè)，采用超聲波清洗清理積炭機(jī)油等污漬[54]，利用聚能式超聲波清洗技術(shù)清理航空飛機(jī)的空濾、油濾等納污能力強(qiáng)的物件[55]，采用超聲波氣相清洗技術(shù)清洗高壓電網(wǎng)[56]。 株洲機(jī)車(chē)在動(dòng)車(chē)檢修過(guò)程中也運(yùn)用超聲波清洗，解決濾網(wǎng)、牽引變流器等一些復(fù)雜部件人工清洗效率低的缺陷[57]，一些軸承如航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承這種高精密零件的清洗，傳統(tǒng)一般采用以汽油為清洗介質(zhì)人工清洗，清潔度不高，而且汽油揮發(fā)對(duì)清潔人員的身體有危害，超聲波清洗的應(yīng)用就能使得軸承在不損壞的情況下實(shí)現(xiàn)高效清洗[58]，劉春[59]等將超聲波技術(shù)結(jié)合流體運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)的清洗設(shè)備用于解決飛機(jī)異性管道內(nèi)污垢清理難的問(wèn)題。

4 結(jié)論與展望

1） 超聲波清洗技術(shù)的研究與應(yīng)用近年來(lái)得到了很大的發(fā)展， 研究者在空化效應(yīng)研究方面取得了眾多成果，然而，超聲波在液體中除了會(huì)產(chǎn)生空化效應(yīng)外，還會(huì)產(chǎn)生乳化、熱效應(yīng)以及化學(xué)效應(yīng)，這些效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理，以及對(duì)空化效應(yīng)是否有影響也需要進(jìn)一步深入研究。

2） 關(guān)于空化效應(yīng)中微射流效應(yīng)，近幾年才開(kāi)始探究，由于微射流效應(yīng)的過(guò)程復(fù)雜而短暫，目前的研究處于影響觀測(cè)以及數(shù)值模擬的階段，缺乏一定的實(shí)驗(yàn)探究，需要對(duì)其原理以及影響因素進(jìn)行研究，進(jìn)而提出相應(yīng)的有益于提高超聲波清洗效果的方案。

3） 不少學(xué)者對(duì)空化強(qiáng)度的概念表述提出了質(zhì)疑， 認(rèn)為當(dāng)前空化強(qiáng)弱的術(shù)語(yǔ)以及強(qiáng)度的測(cè)量方法有待商榷，因此應(yīng)該對(duì)于空化強(qiáng)弱概念的進(jìn)行探討，建立一套標(biāo)準(zhǔn)的概念以及合適的測(cè)量手段。

4） 超聲波清洗設(shè)備廣泛應(yīng)用于眾多生產(chǎn)領(lǐng)域，但在工業(yè)維護(hù)領(lǐng)域中，針對(duì)一些清洗對(duì)象，不同的部件結(jié)構(gòu)和功能不同，應(yīng)用超聲波清洗的技術(shù)參數(shù)也不同，在清理場(chǎng)地須配備多臺(tái)清洗設(shè)備，成本太高，還有一些清洗對(duì)象，體積大、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)復(fù)雜，在清理時(shí)需要一件一件拆卸下來(lái)，耗費(fèi)大量的人力物力。 因此，以后的超聲波清洗機(jī)應(yīng)朝著更加智能化的方向發(fā)展，在清洗前對(duì)部件的結(jié)構(gòu)、污染物、功能等進(jìn)行檢測(cè)并自動(dòng)匹配清洗策略。

5） 在完成清洗后，超聲波可能對(duì)部件造成損傷，而這些損傷并不容易察覺(jué)。 在清洗完成后可以借助超聲波探傷技術(shù)，對(duì)清洗部件進(jìn)行探傷檢測(cè)。

6） 設(shè)計(jì)研發(fā)在線(xiàn)超聲波清洗設(shè)備，即針對(duì)汽車(chē)、列車(chē)、飛機(jī)等大型清洗對(duì)象，無(wú)需拆卸即可對(duì)部件進(jìn)行超聲波清洗；同時(shí)，為節(jié)約水資源，實(shí)現(xiàn)環(huán)保清潔，設(shè)計(jì)無(wú)水基超聲波除垢裝置也具備良好的應(yīng)用前景。