扫频发生器也叫扫频电源,在许多领域早已被人熟知,例如通过各种频带测量滤波器、放大器和电气元件的响应。自90年代以来,扫频发生器电路已广泛应用于超声波清洗行业。发生器的设计目的是将在一定频率范围内略有变化的信号发送到清洗换能器,这种方式不但有助于提高清洁效果,还可以避免单一频率的超声能量引起的不匹配问题,防止损坏元件。

超声扫频技术的原理

在一般的清洁系统中,超声波换能器安装在不锈钢水槽的底部,在一定的频率下有效地工作。通过扫频发生器,正弦信号在由电路设置的两个频率之间自动扫频,将不断变化的频率信号输出换能器上。我们知道每个换能器的出厂谐振频率都存在差异,但可以在非常窄的频带范围里驱动,这就意味着电路输出的频率需要在换能器的谐振频率基础小范围内上下浮动。如果换能器被超出范围的频率激励,功率将急剧下降,换能器可能会被巨大的热量损坏。因此,大多数扫频电路的设计与固有频率仅相差2-3kHz,以确保在扫频范围内释放出强大的空化能量。

扫频电路的波形设计

1)随机扫描速率的设计

传统的扫频模式是以单一速率扫频,并非作为清洁系统的有效设计。当振荡器扫过一个频率范围时,显然不同频率的输出能量是不相等的。通常输出能量可以在带宽中心附近达到最大值。因此,在一个扫频周期内,清洗换能器将被激发到谐振状态两次。具有随机扫描速率的波形可以改变功率脉冲之间的间隔。基于此,脉冲以非恒定的频率发射到流体中,不存在反复重复的单个频率来激励振子共振。

2)从高频到低频的定向扫描

与传统的扫频模式相比,波形的另一个变化是从高频到低频的扫频方向。优点是可以在液体中产生具有增加的扩展波长的超声波,并对附着在零件上的污染物施加额外的向上力。这种类型的声波对于底部超声模式的换能器分布,可以显著提升清洗效果。

扫频发生器在超声波清洗应用中的好处

我们已经知道,扫频模式意味着谐振频率周围的微小恒定变化。相反,如果超声波清洗设备以固定的频率运行,它将导致三个潜在问题,包括驻波、零件损坏和清洁效果差。

1)消除驻波

由于振动的特定频率,来自液面的反射声波可能形成驻波。这种情况会导致不均匀的功率强度,以及待清洁零件上可能会出现斑马纹。更糟糕的是,一些被清洗的物件可能会因为超高声强区域而发生损坏。设计了扫频电路可以消除这种现象,频率的变化使高强度能量更均匀地分布在整个液体介质中。其结果是有效地分解了槽内液体中的驻波,达到了均匀的清洗效果。

2)最大限度地减少对工件的损坏

如前所述,固定频率产生的驻波可能会对一些换能器件或者工件造成损坏。除此之外,许多脆弱的零件可能会在单一频率的声强下损坏,当振子以其谐振频率或接近其谐振频率被激励时,由重复峰值功率脉冲引起的大振幅可能会损坏精密部件比如印刷电路板。这就是为什么我们总是倾向于选择具有扫频模式的超声波清洗器来清洁电气部件。此外,热点是具有更强超声效应(或空化效应)的区域。显然,高浓度的空化气泡可能对正在清洁的零件有害。同样的道理,一个简单的解决方案是以随机速率进行扫频。

3)换能器的频率匹配

正如我们所知,超声换能器的频率取决于各种因素,如尺寸、形状、组装过程等等。这意味着每个换能器不存在单一的谐振频率,取而代之的是具有中心频率分布的超声换能器阵列。非扫频电路的使用可能会导致阵列中的几个换能器在谐振频率下产生响应。阵列中的其他换能器由于频率匹配不好将不能很好地工作,并进一步导致换能器输出能量的减少。其结果是在水槽中产生不均匀的超声波场和清洗效果。在超声波扫频发生器的帮助下,扫频周期内,所有换能器都可以在其中心驱动频率下被激励,并在扫频速率足够高的条件下,在清洗槽中产生更均匀的声场。具有扫描功能的超声波清洗电源对于清洗精密零件或仪器非常重要,因为对于这类零件或仪器,必须进行高度一致的清洁。

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