超声波清洗机（ultrasonic cleaning machine），是一种通过超声波产生的机械振荡清除不良物质的机器，具有高精度、快速、安全等特点，主要应用于机械、表面处理、仪器仪表等行业。

1914-1918年，朗之万（Langevin）发明了夹心压电换能器。20世纪20年代，梅森（Mason）发明变幅杆，它与换能器之间的连接可产生高强度超声波振动。20世纪30年代，美国新泽西州的RCA技术人员提出超声波清洗技术。

中国超声波清洗器件起始于20世纪50年代初，主要应用于电子、光学和医药等领域，超声波清洗技术实用性很强，涉及范围广泛大到机械零部件，小到半导体器件等的清洗，久而久之俗称其为“无刷清洗”。

至20世纪70—80年代，美国及欧洲已经把超声波技术运用到工业生产上。1987年，柴野佳英公开发表了超声波清洗的基本理论。20世纪90年代后期，超声波清洗设备种类繁多，超声波技术逐渐出现在各个领域并逐渐走向成熟，而且高频超声波清洗设备在所有超声波清洗设备中比例最多。

超声波清洗机有多种分类角度，如按用途不同可以分为工业用超声波清洗机、商用超声波清洗机、实验室用超声波清洗机和家用超声波清洗机等；按自动化程度不同，超声波清洗机可分为全自动超声波清洗机、半自动超声波清洗机和手动超声波清洗机。

超声波清洗设备一般由超声波发生器、拾振器和清洗槽3个模块构成。超声波清洗是利用超声波在液体中的空化作用、直进流作用及加速度作用直接或间接地作用于液体和污物，使污物层被分散、乳化、剥离而达到清洗的目的。

未来超声波清洗机将向着更高效、经济的方向发展，如研发超声波碳氧真空清洗设备、高频超声波清洗设备等。

1914—1918年，朗之万（Langevin）发明了夹心压电换能器，标志着压电换能器的问世。20世纪20年代，梅森（Mason）发明变幅杆，它与拾振器之间的连接可以产生高强度超声波振动。30年代美国新泽西州的RCA技术人员提出超声波清洗技术。

中国超声波清洗机起始于20世纪50年代初，主要应用于电子、光学和医药等领域，超声波清洗技术实用性很强，涉及范围广泛大到机械零部件，小到半导体器件等的清洗，久而久之俗称其为“无刷清洗”。至70—80年代，美国及欧洲已经把超声波技术运用到工业生产上。

早期超声波理论存在误区，传统理论认为，超声波清洗的实质是超声波产生的气泡起到的清洗作用。日本清洗工程研究会创始人柴野佳英通过反复试验证实了真正发挥清洗作用的是真空的气穴，而并非是超声波中的疏密波，通过简单的气体爆发而产生的气泡；同时，也验证了超声波产生的气泡起负面影响，抑制甚至消除超声波清洗的效果。1987年，柴野佳英继这一项重大发现后公开发表了超声波清洗的基本理论，突破是革命性的——阐明了以此为基础的超声波清洗技术。根据这一理论柴野佳英研制出的超声波清洗设备，在行业内产品中夺得魁首，其主要优点在于有效地控制气穴现象的发生位置、发生密度、发生效率和冲击力等。

20世纪90年代后期，超声波清洗设备种类繁多，超声波技术逐渐出现在各个领域并逐渐走向成熟，高频超声波清洗设备在所有超声波清洗设备中比例最多。

超声波清洗机的工作原理主要是通过换能器将功率超声频源的声能转换成机械振动，并通过清洗槽壁将超声波辐射到槽子中的清洗液。由于受到超声波的辐射，使槽内液体中的微气泡能够在声波的作用下而保持振动，破坏污物与清洗件表面的吸附，引起污物层的疲劳破坏而被剥离。这种超声波空化所产生的巨大压力能破坏不溶性污物而使它们分化于溶液中。

比如，蒸气型空化，其对污垢的直接反复冲击，一方面能破坏污物与清洗件表面的吸附；另一方面能引起污物层的疲劳破坏而被剥离。气体型气泡可通过振动对固体表面进行擦洗，污层一旦有缝可钻，气泡立即“钻入”振动使污层脱落。由于空化作用，两种液体在界面迅速分散而乳化，当固体粒子被油污裹着而黏附在清洗件表面时，油被乳化，固体粒子自行脱落。

超声在清洗液中传播时会产生正负交变的声压，形成射流，冲击清洗件。同时非线性效应会产生声流和微声流，而超声空化在固体和液体界面会产生高速的微射流，所有这些作用，都能够破坏污物，除去或削弱边界污层，增加搅拌、扩散的作用，加速可溶性污物的溶解，强化化学清洗剂的清洗作用。由此可见，凡是液体能浸到且声场存在的地方，超声波清洗机都可进行清洗。其适用于表面形状非常复杂的零件的清洗，而且采用这一技术后，可减少化学溶剂的用量，进而大大降低环境的污染。

简而言之，超声波清洗就是利用超声波在液体中的空化作用、直进流作用及加速度作用直接或间接地作用于液体和污物，使污物层被分散、乳化、剥离而达到清洗的目的。

空化作用就是超声波以每秒两万次以上的压缩力和减压力交互性的高频变换方式向液体进行透射。在减压力作用时，液体中会产生真空核群泡的现象；在压缩力作用时，真空核群泡受压力压碎时会产生强大的冲击力，由此剥离被清洗物表面的污垢，达到精密洗净的目的。在超声波清洗过程中，肉眼能看见的泡并不是真空的核群泡，而是空气气泡，它能对空化作用产生抑制作用，从而降低清洗效率。只有液体中的空气气泡被完全脱走，空化作用的真空核群泡才能达到最佳的效果。

超声波在液体中沿声的传播方向产生流动的现象称为直进流。声波强度在0.5W/cm2时，肉眼能看到直进流垂直于振动面而产生流动，流速约为10cm/s。此直进流可使被清洗物表面的微油污垢被搅拌，使污垢表面的清洗液产生对流，使熔解污物的溶解液与新液融合。运动速度加快，进而对污物起到很大的搬运作用。

对于频率较高的超声波清洗机，空化作用就很不显著了，这时的清洗主要靠液体粒子超声作用下的加速度撞击粒子对污物进行超精密清洗。

最简单的超声波清洗设备由超声波发生器、换能器和清洗槽3个模块构成，3个模块相互结合、共同构成超声波清洗机。

超声波发生器在超声波清洗设备中起到产生并向换能器提供超声能量和将电能转换成高频交流电信号的作用，是整个清洗装置中必不可少的一部分。

超声波发生器，通常称为超声波发生源或者超声波电源。它的作用是把市电（220V或380V，50或60Hz)转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号。放大电路可以采用线性放大电路和开关电源电路，从转换效率方面考虑，大功率超声波电源一般采用开关电源的形式。频率自动跟踪和振幅控制特性是影响超声波发生器性能的关键因素。

频率跟踪。随着负载和工具磨损情况的变化，振动装置的谐振频率会发生漂移。在没有反馈系统的情况下，超声波加工系统将处于失谐状态，超声电源的输出功率大多被转换为热，从而使超声波振动装置的振幅大大降低，甚至为零，为保证加工质量和保护超声系统，要求发生器具有根据负载调整输出功率的功能。

振幅控制。供电电压的变化、负载的变化等均会影响超声波换能器的振幅和功率，导致误差变大，因而超声波发生器需要具备短时间自动调整振幅，以及使振幅恒定的能力。

清洗槽通常使用不锈钢钢板做成，并且换能器和清洗槽的粘连处的钢板不能太厚，如果太厚，将会减少声能损失。粘贴面需要做磨砂处理，这样就会使得接触面粗糙，拾振器和清洗槽壁就能牢牢地粘贴住。然而，对于清洗槽内壁，因为要与清洗液接触，所以要抛光，用来减少对清洗槽的空化腐蚀。

超声波换能器主要将超声波发生器输入的电功率转化成高强度的机械振动功率传递到清洗槽。部分采用结构图中所示的形状，并且多为压电换能器。因为每个压电换能器的功率有限，所以在大功率超声波清洗机中，大部分使用多个换能器组合组成换能器的阵列，每一个换能器都并联在一起，由同一个超声波电源产生超声频电信号，来驱动每一个换能器。通常在这种情况下，就要求组合在一起的拾振器特性，尤其是共振频率要一致，从而提高声电效率，加强清洗效果。

超声拾振器将传输的电信号转换为高频低振幅振动。从本质上看，换能器将电能转换为机械能。常用的换能器有两种。

1.压电换能器

晶体的单晶具有压电和逆压电特性，即在一定方向受力时这些单晶的表面会产生电荷，而其在电场作用下会产生应变。1916年，法国物理学家保罗·朗之万将压电石英片置于两块厚钢板之间，研制成功了第一个真正实用的压电换能器。直到现在，朗之万型换能器仍应用广泛。

2.磁致伸缩换能器

磁致伸缩效应可描述由材料磁化强度变化引起的材料尺寸变化。常用的磁致伸缩材料有镍、铁镍、铁铝、铁钴钒和铁氧体等。由于自旋轨道耦合，磁-机械耦合发生在原子级别。从宏观层面来看，可以假设材料由许多微小的椭圆形磁体组成，这些磁体由于外加磁场的作用而旋转，进而导致尺寸的变化。

按用途不同，超声波清洗机可分为工业用超声波清洗机、商用超声波清洗机、实验室用超声波清洗机和家用超声波清洗机等。

按容量不同，超声波清洗机可分为大型超声波清洗机、中型超声波清洗机和小型超声波清洗机。其中，容量从4mL到几百升不等。

按自动化程度不同，超声波清洗机可分为全自动超声波清洗机、半自动超声波清洗机和手动超声波清洗机。

按槽体的数量不同，超声波清洗机可分为单槽超声波清洗机、双槽超声波清洗机和多槽超声波清洗机。

按使用的清洗剂不同，超声波清洗机可分为水系超声波清洗机、碳氢系超声波清洗机和氟利昂超声波清洗机。

按功率大小不同，超声波清洗机可分为大功率超声波清洗机、小功率超声波清洗机和无加热超声波清洗机。其中，带电加热超声波清洗机的加热功率从几十瓦到几千瓦不等。

（1）高精度。由于超声波的能量能够穿透细微的缝隙和小孔，故可以应用于任何零部件或装配件的清洗。被清洗件为精密部件或装配件时，超声清洗往往成为能满足其特殊技术要求的唯一的清洗方式。

（2）快速。超声清洗相对常规清洗方法在工件除尘除垢方面要快得多。装配件无须拆卸即可清洗。超声清洗可节省劳动力的优点往往使其成为最经济的清洗方式。

（3）一致。无论被清洗件是大是小，简单还是复杂，单件还是批量或在自动输送流水线上，使用超声清洗都可以获得手工清洗无可比拟的均一的清洁度，特别适用于清洗表面形状复杂的工件以及清洗不便拆开的配件。

（4）安全。不损坏物件表面并可提高工作安全度（因有些溶剂不宜接触过久）等特点。

虽然超声波清洗机的应用越来越广泛，研究水平也显著提高，但是目前还存在着些许漏洞。例如，使用过大的功率可以提高清洗效率，却会使较为精密的部件产生蚀点，而且超声波还会产生强烈的噪音，也有其局限性。

在使用超声波清洗机清洗仪器件时, 通常都要保障机器的输出功率要稳定，这样就得保证换能器能够始终工作在谐振状态，为此就得保障换能器的工作频率不变，这就要求超声清洗机得具有频率调节的功效；当清洗的物品器件不一样的时候，要求超声波清洗机能够输出不一样的功率，这些要求超声波发生器带有功率输出控制系统。对于此系统，设计电路主要是使用UC3875芯片对超声波电源功率的控制。

超声波清洗效果不一定与（功率x清洗时间）这个关系成正比，有时用小功率，花费很长时间也没有清除污垢。而如果功率达到一定数值，却很快便可将污垢去除。若选择功率太大，空化强度将大幅增加，虽然提高了清洗效果，但这时会使较精密的零件也产生蚀点，得不偿失。因此，不要盲目加大超声波的功率。在采用水或水溶性清洗液时，如功率太大，还会使清洗机底部振动板位置发生严重空化，水点腐蚀也增大，如果振动板表面已受到伤痕，强功率下水底产生的空化腐蚀更严重。因此，要按实际使用情况选择超声功率。

利用超声波清理纺丝组件中时，功率密度一般在0.6-1.0W/cm2。过高的强度会加速辐射板表面的空化腐蚀，同时过于剧烈的空化所产生的气泡会影响能量传递，使远离辐射面的液体空间声强变弱，而达不到均匀清洗的目的。在普通的清洗槽中，由于液面的反射，在清洗槽中会产生驻波，使在液体空间有些区域声压最小（波节处），有些地方声压最大（波腹处）而造成清洗干净程度不均匀。在无纺布行业使用的超声波清洗机，大都没有直接显示超声波发生器的功率，其功率选择旋钮所调节的是超声发生器的电流，以电流值间接显示功率的大小。电流表的最大量程一般在10A左右，正常工作时应选择在刻度的中间位置（或按设备说明书的推荐值）。

空化效应的强度与频率有关，频率越高，空化气泡越小，空化强度越弱，且随着频率的增加而迅速减弱。因此，超声波的频率会影响清洗的效果。在使用水或水基清洗剂时，低频会增加由空穴作用形成的物理清洗力，适宜清洗零件表面；而在清洗带有小间隙、狭缝、深孔的精密零件时，用高频的清洗效果会较好，而且对精密加工面影响较小。在清洗纺丝组件时，大部分清洗机的工作频率在20~30kHz范围，而且基本是不可调的。目前使用的超声波清洗机大部分都没有频率调节功能，其工作频率在出厂时已设定好。

所选择的清洗溶剂必须达到清洗效果，并应与所清洗的工件材料相容。水为最普通的清洗液，操作简便、使用成本低，是最广泛应用的水基清洗溶液。传统组件清洗工艺还曾使用加有氢氧化钠（NaOH）的水基碱性清洗液，但这种清洗液不能用来清洗铝和铝合金制品。并且存在一定程度的环境污染问题。清洗液的表面张力大，不容易发生空化；蒸汽压偏高会降低空化的强度；黏度大的清洗液不容易发生空化；清洗槽内的清洗液流动速度过快也会影响清洗效果。纺丝组件是经过高温（450~480°C）煅烧，并经过高压水流冲洗后才进行超声波处理的。

因此，进行超声波清洗时，组件表面已很少有可见的残留物，主要是一些碳化物和金属氧化物。使用碱性清洗液时，强碱会与一些分子量较小、质量较轻的物质（如元素周期表上部的一些元素）发生化学反应，并使之分解，如生成氢氧化镁、氢氧化铝等，增强超声波清洗的效果，而对于分子量较大，质量较重的物质，强碱也是很难，甚至无法分解的。除了碱性清洗液，还可以使用专用喷丝板超声波清洗剂，但因为价格较高，在行业较少使用。有条件时，可以使用去离子水或纯净水进行清洗。

要通过试验、根据清洗效率来决定清洗液的浓度，常用的碱液浓度可在5%~15%范围选择，再根据清洗效果进行调整。可以使用pH值试纸测试清洗液的浓度。配制清洗液时，只能将碱加入水中稀释，并不断搅拌，不能将水倒入碱液中，否则将发生剧烈汽化危险。由于氢氧化钠溶解于水的过程是一个放热的化学反应，因此，在配制过程中溶液出现发热升温是一种正常现象。

化学反应的速度与温度成正相关，温度越高，反应速度越快。最适宜的水基清洗液温度为40~60°C，若清洗液的温度偏低，空化效应就较弱，清洗效果也差。当温度升高后空化易发生，有利于提高清洁效果。当温度继续升高以后，空泡内气体压力增大，引起冲击声压下降，反映出这两个因素间此消彼长的关系，因此，也不是温度越高越好，高温也不利于换能设备的安全运行。在兼顾化学反应与超声波空化作用的情形下，清洗液的温度一般控制≤70°C。在清洗液到达设定温度前，不用开启超声波发生设备，可利用这一阶段的清洗液升温时间，使清洗液充分浸润喷丝板，并将混在清洗液中的气体析出。

清洗液的液面一般应高于换能器振动子表面100mm以上，而被清洗的工件必须全部浸没在清洗液面以下约50mm。由于单频清洗机受驻波场的影响，波节处振幅很小，波幅处振幅大，导致工件不同位置的清洗效果不一样。因此，最佳选择清洗物品位置应放在波幅处。在任何时候，必须保持清洗槽内的液面高度能浸没全部电加热管，否则会导致加热管全部烧毁。

对于精密的、表面光洁度甚高的物体，采用长时间的高功率密度清洗会对物体表面产生空化腐蚀。因此，较高强度、较长时间的超声空化作用，会使被清洗件表面的基体金属有一定程度的剥落，产生空化浸蚀。在日常清洗过程中，可以发现一些经过清洗的组件表面，存在有反光异常的暗区域及明显的生锈现象，这就是组件发生浸蚀的结果，长此以往，将对喷丝板的精密加工面（如喷丝孔内壁）发生不可逆转的损伤。因此，用超声波清洗纺丝组件的时间并不是越长越好，一般在0.5~1.5h即可。

于此领域，超声波清洗机主要清洗外表附属物：不但包含油、机械切屑、磨料、浮尘、抛光蜡等，还涉及电镀前的去除积炭、去除氧化皮、去除抛光膏、去油去锈、离子镀前清洗、磷化工艺处理，金属工件表面活化处理等。不锈钢抛光制品、不锈钢切削刀具、厨具、刀具、锁具、灯饰、首饰的喷涂前处理、电镀前清洗。

于此领域，超声波清洗机主要从事的是切削油、磨粒、铁屑、浮尘、指纹的清洗。包含防锈油脂的去除、量具的清洗、机械零部件的去油去锈；发动机、发动机零件、变速器、阻尼器、轴瓦、油嘴、缸体、阀体、化油器及汽车零件及底盘漆前去油、去锈、磷化前的清洗;过滤装置、活塞配件等，尤其是在铁路行业，对列车车厢空调的去油去污、对列车车头各部件的防生锈、去锈、去油特别适合。

超声波清洗技术历经诸多药企的应用而获得广泛使用，尤其是对口服液瓶、西林瓶、安瓶、大输液瓶的清洗以及对于丁基胶塞、天然胶塞的清洗方面，已经得到了大部分客户青睐。

在微粉业领域，客户要想获得不同大小的颗粒，需要将破碎料放在球磨机内研磨后，之后历经不同规格筛子层层筛分即可获得。可是筛子长时间使用后，筛孔会被堵塞(如金刚石筛)，用别的方法刷洗会损害筛子，且难以达到预期实际效果。反过来，用超声波清洗机可以恰到好处地避免上述问题，在清洗干净的同时还不会产生物体的损坏。

毫无疑问，产品喷涂前处理工艺至关重要，通常的传统技术使用酸液对工件予以处理，对环境污染问题偏重，且工作环境比较差。工件喷涂后，有可能出现锈蚀状况，进而毁坏涂层外表，严重危害产品外观和内在质量。超声波清洗技术的使用不但可以使物体表面和缝隙之间的污渍快速脱落，并且涂装件喷涂层牢固并不会返锈。

日常生产过程中，眼镜、首饰都可以使用超声波进行清洗，速度更快，无损伤，大型的宾馆、饭店用来清洗餐具，不但清洗效果明显，还具备消灭抑菌作用。

超声波清洗设备主要应用于止血钳、活检钳、镊子、注射针头、注射器等手术医疗器械、各类实验器皿，尤其是内镜、牙钻手机等的清洁消毒，血清等液体的消毒，精密仪器、光学仪器元件、无线电元件的清洗，以及运动设备、公共浴盆的水体设备的清洗等。

超声波清洗机是考古行业中机械清理法的常用工具，在显微镜下去除污垢或者金属锈蚀，可以控制清洗的范围，目标明确，不伤害非清洗部位的文物信息。

（1）严禁从超声波控制柜顶端的进风口处溅入导电液体（如水）、否则会对清洗机的线路系统造成严重损害。

（2）严禁清洗槽内无水而开机。

（3）严禁大功率下直接启动机器。

（4）如现场腐蚀性气体浓度较高，应尽可能将超声波系统远离清洗槽。

（5）开机状态以及关机30min内，严禁触摸发生器内的电子元件，因电容器内储有高压电能。

（1）注意保持机器清洁、不使用时关掉电源。

（2）避免机器碰撞或剧烈振动。

（3）远离热源。

（4）应避免在潮湿的环境下存放。

（5）机器连续工作时间不得超过4h，如连续工作时间过长，应旋转超声调节旋钮至“0”位，并让散热风扇继续工作。在超声波清洗不启动的状态下，应为超声波控制柜内持续散热至少2min。

（6）经长时间运行的清洗机，在停机前应首先将功率旋钮调至“0”位，使用其风机再工作3-6min后关机，以保证电源内部热量散出。

（7）清洗液应及时沉淀、过滤或更换，以保证清洗效果。

伴随着超声波清洗设备的应用范围拓展，超声波清洗设备面对新科技急需更新。针对新技术、新材料、新产品的涌现，设计的专用超声波清洗设备应该具有：优异的性价比，与其他清洗方式能高效组合，有一定的自动化程度。

环境保护是中国的一项基本国策、清洗行业以前所沿用的ODS有机溶剂被禁止，因此，需要研发使用非ODS溶剂的新型清洗设备，经济环保的碳氢溶剂超声波清洗设备凸显其优越性能。由于碳氢溶剂闪点低，限制了其在超声波清洗方面的应用。在引入超声波碳氢真空清洗技术后，不仅达到了安全、环保的目的,而且在真空状态下进行超声波碳氢清洗还强化了洁净功能。大力发展碳氢真空清洗已成为今后环保型超声波清洗的发展方向。

目前工业上大量使用的为低、中频段超声波清洗机，也即20-50kHz频段，而现在急需研发50-200kHz高频以及兆赫级超声波清洗设备。兆赫级超声波清洗技术有以下的主要优点，一是避免对器件表面清洗时带来损伤，二是更加精准地去除附着在器件表面的亚微米级的污垢。兆赫级超声波清洗设备在目前市场上已经存在，产品主要来自国外。中国研制的兆赫级超声波清洗设备还未从实验室走到工程应用之中。兆赫级超声波清洗设备主要应用在半导体生产线，用于对100-300mm晶圆的清洗，既可以除去硅片表面0.15mm的颗粒，又可以阻止漂洗过程中物粒的重新附着。可见，兆赫级超声波清洗设备已经是大规模集成电路制造生产过程中不可缺少的。

超声波清洗通常是对零部件的清洗，随着工艺的不断完善，出现了一些特殊应用，如超声波防垢在线清洗等。超声波防垢清洗主要是利用超声波强声场处理流体，使流体中成垢物质在超声场的作用下，其物理形态和化学性能发生一系列变化，使之分散、粉碎、松散、松脱而不易附着管、器壁形成积垢。超声波强声场处理流体不仅有防垢的作用，而且能加快液体表面传热速率，提高液体的传热效率。这些新应用的出现更大地发挥了超声波清洗的功能，开拓了超声波应用的新领域。

超声波（ultrasonic wave)是频率高于20000Hz、超过人耳可感知声域的声波。超声波是意大利传教士兼生物学家斯帕兰扎尼（Spallanzani Lazzaro)研究蝙蝠在夜间活动时发现的。他对蝙蝠能在漆黑的夜晚自由飞翔并捕捉蚊虫很好奇。为揭开此谜，他于1793年用致盲的蝙蝠反复实验，发现蝙蝠是靠发出一种人耳难以感觉的尖叫声，感知反射回的微弱回波来确定物体的距离、大小、形状和运动方式辨别障碍、识别和捕捉飞虫，而这种微弱回波就是超声波。

超声波具有声波共同属性，即都是由机械振动而产生的机械波、需要借助介质传播，遵循声学定律发生反射、折射、散射和衍射。与可听声相比，超声波的频率更高、波长更短、传播的指向性更强。超声波广泛地存在于自然界，许多动物都能发射和接收超声波，超声波的波长很短，与光波也有相似之处，即呈很细的波束指向性传播。这一特性被广泛应用于医学、机械、测量、探矿、军事等领域。