超聲波清洗又稱(chēng)為無(wú)刷清洗,是各種化學(xué)、物理以及機(jī)械清洗中較為有效的一種手段,目前被廣泛應(yīng)用在許多行業(yè)和部門(mén). 一般理論認(rèn)為,超聲波清洗通過(guò)超聲空化效應(yīng)實(shí)現(xiàn) ,但清洗過(guò)程引發(fā)的噪聲是有害的.

  超聲波清洗機(jī)主要包括3 個(gè)部分,即超聲波發(fā)生器、清洗水槽和粘在水槽底部的換能器陣. 超聲波發(fā)生器提供給換能器一定頻率的電磁振蕩能量,換能器在超聲波發(fā)生器的激勵(lì)下發(fā)生共振,將電磁振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為換能器的超聲振動(dòng),進(jìn)而推動(dòng)與其機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)相連接的水介質(zhì)振動(dòng),向水中輻射超聲波. 超聲波在液體中傳播時(shí)將引發(fā)空化 . 液體空化時(shí)伴隨有空化泡的非線(xiàn)性振動(dòng)以及空化泡的崩潰,前者會(huì)產(chǎn)生各次諧波和分諧波;后者則會(huì)輻射出連續(xù)噪聲. 這些成分相互疊加會(huì)形成液體空化噪聲.人們對(duì)液體空化噪聲進(jìn)行了研究,從所得的頻譜圖上發(fā)現(xiàn),超聲波空化噪聲譜頻帶較寬,表現(xiàn)為在連續(xù)譜的背景上另加一些譜線(xiàn). 線(xiàn)譜的頻率對(duì)應(yīng)于激發(fā)聲波的頻率及其諧波和分諧波頻率. 液體中的空化噪聲透過(guò)水與空氣界面向工作空間輻射,這成為危害工作人員身心健康的主要因素.

目前常用超聲波清洗機(jī)的工作頻率多選在20～40 kHz 之間,這雖可得到較大的空化強(qiáng)度,但空化引起的噪聲也大,對(duì)長(zhǎng)期處在這種環(huán)境中的操作人員身體可造成不同程度損害[4 ] . 已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,噪聲對(duì)人體生理機(jī)能的影響與噪聲的特性有關(guān)[5 ,6 ] . 作者在分析超聲波清洗噪聲成因的理論基礎(chǔ)上,測(cè)量了工作頻率分別為21 ±0. 5 、27 ±015 、38±0. 5 kHz 的超聲波清洗機(jī)的噪聲強(qiáng)度,并用兩種方法測(cè)量了其噪聲頻譜. 這為進(jìn)一步采取降噪措施和研究超聲波清洗噪聲對(duì)人體的生理危害提供實(shí)驗(yàn)依據(jù).

  實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)儀器主要包括工作頻率分別為21 ±0. 5 、27 ±0. 5 、38 ±0. 5 kHz 的超聲波清洗機(jī),它們均由具有頻率自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的ACQ600 型超聲波發(fā)生器(0～600 W 可調(diào)) 、槽式清洗槽和粘在清洗槽底部的換能器陣組成;直徑為13. 2 mm 的電容傳聲器,頻率測(cè)量范圍為3. 15 Hz～40 kHz ;2209 型脈沖精密聲級(jí)計(jì); 延伸電纜; 三分之一倍頻程濾波器;Agilent 54622A 型示波器以及用于監(jiān)測(cè)電壓的高頻電壓表. 調(diào)節(jié)超聲波發(fā)生器,使3 種超聲清洗機(jī)的功率密度相同,約為1. 5 W/ cm2 . 將電容傳聲器固定于水槽上方15 cm 處,水槽中的水位加至16 cm 處. 每次實(shí)驗(yàn)前,用聲級(jí)計(jì)、電容傳聲器測(cè)量背景噪聲,然后打開(kāi)超聲波清洗機(jī),測(cè)量總聲級(jí). 若總聲級(jí)與背景噪聲差值大于10 dB ,則背景噪聲可不予考慮;若小于10 dB ,則必須按差值分別為3 、4～6 、7～9 dB ,修正值依次為- 3 、- 3 、- 1 dB或者按噪聲修正公式對(duì)總聲級(jí)進(jìn)行修正.

L p = L + 10 lg[1 - 10 - 0. 1 ( L - Ln) ] =

L - ΔL ,

ΔL = - 10 lg[1 - 10 - 0. 1 ( L - L n) ]. 

式中L 為用聲級(jí)計(jì)測(cè)得的總聲級(jí), L n 為用聲級(jí)計(jì)測(cè)得的背景噪聲級(jí), L p 為超聲波清洗機(jī)工作時(shí)在環(huán)境中產(chǎn)生的實(shí)際空化噪聲級(jí),ΔL 為修正值. 實(shí)驗(yàn)中背景噪聲為54 dB.使用兩種方法測(cè)量噪聲頻譜,一種連接儀器, 聲信號(hào)由電容傳聲器接收后, 經(jīng)2209 型脈沖精密聲級(jí)計(jì)放大, 輸入至Agilent54622A 型數(shù)字存儲(chǔ)示波器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,最后在計(jì)算機(jī)上利用數(shù)據(jù)處理軟件Origin6. 0 還原成聲壓頻譜圖進(jìn)行分析;另一種是2209 型聲級(jí)計(jì)與三分之一倍頻程濾波器連用,測(cè)量并可得到噪聲的倍頻程頻譜圖.

  結(jié)論：采用兩種方法測(cè)量了3 種不同工作頻率超聲波清洗機(jī)的噪聲頻譜,分析了超聲波清洗機(jī)的噪聲特點(diǎn). 結(jié)果表明,在超聲波功率密度(即聲強(qiáng)) 相同條件下,超聲波清洗機(jī)產(chǎn)生的噪聲主要仍由水槽中所發(fā)生的空化引起. 超聲波清洗噪聲在0～50 kHz 范圍內(nèi)均有分布,其中以高頻噪聲為主,主頻位于工作頻率處. 在保持超聲波功率密度相同的條件下,超聲波清洗機(jī)的工作頻率越高,主頻及其他成分所對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí)值有下降趨勢(shì). 在20～40 kHz 范圍內(nèi),超聲清洗機(jī)的噪聲總聲級(jí)隨其工作頻率的增高呈下降趨勢(shì).