超声清洗中聚焦超声能量场分布及其实验研究

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目前,聚焦超声技术被广泛应用于医疗领域和超声加工领域。为了探究聚焦超声技术应用于超声清洗领域的可能性,本文利用超声聚焦的原理,构建了聚焦超声理论模型,并且搭建了聚焦超声清洗装置,验证了聚焦超声声场内的分布情况,并且进一步研究了聚焦超声清洗的清洗效率。建立了单脉冲点声源的二维模型,验证了声传播的聚焦和衰减。利用二维轴对称模型模拟线声源的聚焦声场,发现超声频率为40kHz时更适合工业超声清洗。构建三维模型,根据不同截面上的声压分布情况验证了声波的聚焦理论。最后建立三维模型,模拟声场内存在清洗物的情况,得到了声场内存在清洗物时的声压分布情况,并且发现声场内声压导致清洗物上产生流体载荷,流体载荷将会使得清洗物表面产生微小的变形。搭建了聚焦超声清洗装置,通过薄膜腐蚀法验证了声场内的声压分布。实验结果表明,装置中心轴线附近具有能量集中的区域,在竖直平面的中心轴线附近铝箔的腐蚀较为严重,水平平面中心周围的铝箔腐蚀较为严重,实验与仿真结果相吻合,验证了仿真结果的合理性。利用搭建的聚焦超声清洗设备与普通清洗设备做超声清洗实验,验证聚焦超声清洗设备的实际应用价值。实验结果表明,在清除相同质量的润滑脂对比所用时间的实验中,聚焦超声清洗装置相较于普通清洗装置的洗速率提升了77.27%;在相同清洗时间内对比超声清洗量的实验中,聚焦超声清洗盲孔零件的清洗效率是普通超声清洗效率的1.6倍,聚焦超声清洗通孔零件的清洗效率是普通超声清洗效率的2.21倍。通过两种清洗实验,验证了聚焦超声清洗模型的清洗效率高于普通超声清洗,表明了聚焦超声清洗是实现高效清洗的有效方式,具有一定的实际应用价值。
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