陳志棟+葉香美

摘 要：文中介紹了超聲波清洗的原理與應用現(xiàn)狀，簡要分析了超聲清洗機理、換能器理論和各種因素對超聲清洗的影響的研究進展。超聲波可以有效去除棉布上的污漬，大大加快清洗速度。文中研究了不同頻率、功率對常見污漬（質(zhì)地為棉）的去污效果，給家用衣物洗滌方法提供了指導，具有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：超聲波清洗；頻率；功率；去污

中圖分類號：TB559；TP20 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）03-00-02

0 引 言

超聲波應用于質(zhì)地堅硬物件的清洗已有很長的歷史，其清洗效率可以達到95%以上，洗滌潔凈度非常高。目前，超聲波洗衣機產(chǎn)品非常少，大多數(shù)超聲波洗衣機被認為是“雞肋”。這是因為超聲波清洗應用于日常家用衣物的研究非常少，無法給家用衣物洗滌方法提供指導。本文分析了超聲清洗機理、換能器理論和各種因素對超聲清洗影響的研究進展，定性研究了不同頻率、功率對常見污漬（質(zhì)地為棉）的去污效果，具有一定的參考意義。

1 超聲波清洗原理

相關(guān)研究人員認為超聲波清洗的原理是超聲波在水中的空化作用造成的，空化氣泡直接或間接作用于污物，使污物被震散，溶解于水中，達到清洗的目的。超聲波的頻率一般需要達到20 kHz以上，這樣才會在水中形成真空的“空腔泡”，“空腔泡”對清洗物體的物理作用就是空化作用。

超聲波換能器是超聲波清洗中必不可少的換能元件，它能將電能轉(zhuǎn)換成機械振動，但幅度很小，約為幾微米，且振動速度及頻率很快。一般來說，超聲波清洗機上有許多換能器，當給它們添加一樣的頻率及相位的電能時，就會形成大功率機械振動，即我們平時所說的超聲波。換能器的數(shù)量越多，輸出功率就越大。超聲波清洗機整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 超聲波清洗的影響因素

超聲波清洗主要利用空化作用去污，而空化作用的強弱與超聲波參數(shù)、液體條件有關(guān)，所以想要得到較好的清洗效果，需要考慮多方面因素。

2.1 超聲波頻率

能夠讓液體產(chǎn)生空化的最低聲強叫“空化閾”，增大頻率會使空化閾增大，并導致空化效果變差，增大功耗；如果頻率太低，會使空化噪聲過大，效率很低，甚至無法產(chǎn)生空化效果。

2.2 液體條件

洗滌液體本身就具有去污功能，而且超聲波還可以加強洗滌液的去污作用。洗滌液的濃度、粘度等特性都跟空化效果有直接關(guān)系。

2.3 液體溫度

空化作用的強弱與液體溫度也有很大關(guān)系。當液體溫度上升時，空化作用更容易產(chǎn)生，因此能加強超聲波的空化效果。

3 超聲波清洗去污效果

能夠產(chǎn)生超聲波空化現(xiàn)象的超聲波頻率以20～50 kHz最為合適，而頻率過高，反而不易產(chǎn)生空化作用，即使產(chǎn)生也需要消耗大量的能量，得不償失，并且很多能量會轉(zhuǎn)化為熱能被消耗。在真正清洗衣物時，洗滌劑必不可少，使用洗滌劑可以大大縮短清洗時間，但在實驗過程中，不添加洗滌劑，以免洗滌劑對結(jié)果造成影響。

3.1 超聲波頻率

3.1.1 實驗方法

實驗材料為相同的純棉白色毛巾，分別將其在100 mL的咖啡中浸泡10分鐘。液體為不加洗滌劑的清水，以便直觀觀察清洗結(jié)果。

3.1.2 清洗方法

實驗采用JK-TUC-360VDV三頻超聲波清洗器，該清洗器有28 kHz，40 kHz及80 kHz三種頻率可供選擇。且輸出功率可調(diào)，最大為1 080 W，自帶清洗液加熱功能，發(fā)熱設備功率為1 500 W，還可以設定清洗時間。

將三份白色毛巾編號①，②，③，在相同濃度的100 mL咖啡中浸泡10分鐘。JK-TUC-360VDV三頻超聲波清洗器放入1 L清水，將100 mL咖啡與浸染的白色毛巾一起放入超聲波清洗器的水槽中，設定好頻率、輸出功率、清洗時間。實驗參數(shù)如表1所列。

3.1.3 檢測方法

檢測方法利用精密型色差儀CQ-620進行色差測量。測量前先用黑色、白色標準板進行校準。色差越低，說明污漬去除效果越好。在洗完的毛巾處，選取3次進行測量，取平均值。

3.1.4 結(jié)論

原始白色毛巾的色差值為0.86，圖2所示為三種頻率下的毛巾色差值，色差越小，則表示清洗效果越好。由圖可見，隨著處理頻率的增加，清洗后的毛巾色差值也隨之增加，即殘留的污漬更多，這說明超聲波清洗的頻率并非越大越好。

從圖中可以看到，在28 kHz，40 kHz及80 kHz三種頻率下，28 kHz的清洗效果最好，但這不能說明頻率越小，清洗效果就越好，因為頻率太小，空化效果不明顯，甚至無法產(chǎn)生空化效果。本文的JK-TUC-360VDV三頻超聲波清洗器只有三種頻率，如果要進一步研究頻率對清洗效果的影響，應該選擇更多的超聲波頻率做實驗。

3.2 超聲波功率

3.2.1 清洗方法

從上面的結(jié)論可以得到在三種頻率中，28 kHz的超聲波頻率最好，因此在這個實驗室中，我們采用28 kHz的超聲波頻率。

準備三份白色毛巾，分別編號為①，②，③，④，⑤，⑥，在相同濃度的100 mL咖啡中浸泡10分鐘。JK-TUC-360VDV三頻超聲波清洗器放入1 L清水，將100 mL咖啡與浸染的白色毛巾一起放入超聲波清洗器的水槽中，設定好頻率、輸出功率、清洗時間，參數(shù)如表2所列。

3.2.2 檢測方法

檢測方法利用精密型色差儀CQ-620進行色差測量，測量前先用黑色、白色標準板校準。色差越低，說明污漬去除效果越好。在洗完的毛巾處，選取3次進行測量，并取平均值。

3.2.3 結(jié)論

圖3所示為不同功率下的毛巾色差值。

從圖中的數(shù)據(jù)可以看出，數(shù)據(jù)起伏較大，且并非功率越大，色差就越小。當功率為300 W、500 W、700 W時都略有反常，但大致可以看到隨著功率增大，色差就越小，清洗效果也越好的曲線。在100～400 W區(qū)間，色差變化較大，且隨著功率增大，效果較好，但在400～700W區(qū)間，功率增大，色差并沒有明顯變化。因此，選擇合適的工作功率對實現(xiàn)理想的清洗效果非常重要。

4 結(jié) 語

本文簡單介紹了超聲清洗原理及影響超聲波清洗的一些重要因素，并重點研究、分析了超聲波頻率、功率對超聲波清洗的影響，對今后的深入研究有一定的指導意義。同時為家用衣物洗滌方法提供指導，具有一定的現(xiàn)實意義。

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