超声清洗作为功率超声中应用最广泛的一项技术，由于具有污染小、清洗效率高等优点，已经广泛地应用于机械、医疗、电子、光学、半导体等行业，而清洗槽内超声场的分布直接影响清洗效果的好坏。目前很多学者通过改善功率密度、超声频率、清洗介质、温度以及清洗槽结构等设法改善槽内的声场分布的均匀性，以减少清洗过程中的死区和盲点，但效果并不理想。针对应用最为广泛的矩形槽式超声波清洗机，本文采用不同信号激励其换能振动系统，研究分析其槽中的声场分布。声场分布的测量实验中矩形清洗槽的液面高度保持在120mm，功率放大器的输出功率约310W，加在清洗槽换能器上的功率分别约240，250，270W。向槽中加入一定浓度的亚甲基蓝水溶液，同时将铜版纸按一定方式浸入并固定在液体中。竖直放置时，纸下端紧挨槽底，水平放置时纸面距槽底40mm。然后启动激励信号( 正弦信号或合成信号) ，在超声场作用下，染料将优先附着在声能量较强处。系统工作20s后取出铜版纸，晾干整平，即可获得不同信号激励下竖直和水平方向上代表声场空间分布的染料图案。
1 竖直方向
不同的矩形超声清洗槽在不同激励方式下的竖直方向声场分布情况。在正弦信号激励下，由于声波间的相干性，竖直方向上声压能量密度出现极大极小值的起伏变化，声场呈现近似带状分布。如果取液体中的声速c=1480m/s，用公式λ =c/f计算3种谐振频率下的波长分别为62，41，26mm。因此，频率越高，波长越短，带状逐渐变得不明显。3种正弦频率下的声波在矩形槽中传播时，激起的简正波个数分别为113，389，1531，可见随着频率的增加，空间简正波的数目增加得更明显，大量的简正振动方式叠加会“平均”掉声场中的驻波效应。这一结果与上述理论分析结论一致。所以，从改善清洗槽的声场均匀性而言，高频信号激励优于低频信号。在不同带宽的合成信号激励下，与对应的单频正弦信号相比，3种槽内声场分布的均匀性都有明显改善。但由分析知，合成信号在带宽Δf =1kHz和Δf = 2kHz时，对声场均匀性的改善基本相同。而当Δf = 3kHz时，改善效果相对较差，且频率越低，这一现象越明显。
2 水平方向
为不同超声清洗槽水平方向上的声场分布。单频正弦信号激励下，水平方向声场分布随声源频率变化的趋势与竖直方向相同，即频率越高，声场分布越均匀。具体表现在整个平面内呈现不均匀变化情况。合成信号在带宽Δf = 1kHz和Δf =2kHz时，水平方向声场的均匀性也得到很好的改善。但同样在Δf =3kHz时，声场均匀性呈现降低的趋势。因此，不论在竖直还是水平方向，对合成信号在带宽Δf = 1kHz和Δf = 2kHz分析，一方面是多频信号的不相干性; 另一方面，对每种矩形超声清洗槽而言，合成信号激励实际上是有较高频率的信号参与激励换能器工作，相当于增加了声场中的简正声波数目。
3 结论
本文研究了不同信号激励下矩形槽式超声波清洗机的声场分布，理论分析与实验结果都表明: 在单频正弦信号激励下，清洗槽谐振频率越高，简正声波数目越多，声场分布均匀性越明显; 多频合成信号由于声波的不相干性，声场分布均匀性明显优于单频的正弦信号，且频率越高，声场均匀性越好; 本文实验不同谐振频率的系统均采用相同带宽的合成信号，但实验结果表明: 合成信号带宽的设置，应根据换能器的谐振特性进行选择; 在本文实验条件下，合成信号的带宽Δf =1—2kHz较为适宜，且随着系统谐振频率越高，Δf 可相应地适当变宽。
