研究背景与动机 [page::0][page::1]

• 工业超声波清洗槽存在部分物品未清洁彻底或损坏的问题。

- 清洗效率由空化效应产生的声压影响，温度、电力和换能器位置均是关键因素。

• 本研究首次采用ANSYS中的谐波响应分析（HRA）模拟水溶液中的声压，解决实际生产问题。

模拟与实验方法 [page::1][page::3][page::4]

• 建立基于PZT4换能器、钢制槽体和水溶液的多物理场有限元模型，采用六面体网格，确保精度与计算效率。

- 设计铝箔腐蚀测试与功率浓度测量，验证模拟的声压分布与实验结果高度一致。

• 通过对比不同温度下的最大负声压值与铝箔质量损失，发现温度升高降低声压及清洗效率。

清洗槽换能器布局优化方案 [page::3][page::6]

• 提出四种换能器布置方案（模型A-D），模拟28kHz和40kHz频率下的声压分布。

- 模型C（两侧各两个换能器，底部四个换能器成一排）在声压均匀度与强度上具备最优表现。

• PZT4材质相比PZT8产生更高声压，适合提升清洗效能。

清洗效能与应用价值 [page::5][page::6][page::7]

• 变更换能器位置改善了声压场，避免物品置于声压极低或极高区域导致清洗不彻底或损坏。

- 研究结果获得制造商认可，指导实际工业产品设计与升级。

• 未来可结合多频换能器及表面活性剂等进一步优化模型，提升实用性和清洗效率。

关键数据对比与验证 [page::5]

• 最大负声压随温度升高显著下降，铝箔质量损失与声压变化趋势高度相关。

- 功率浓度测量与模拟声压变化趋势一致，验证模拟技术有效性。

发展基于谐响应分析的工业超声波清洗槽报告详尽分析

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1. 元数据与报告概览

• 报告标题：《Development of an industrial ultrasonic cleaning tank based on harmonic response analysis》

- 作者：Worapol Tangsopa, Jatuporn Thongsri

• 机构：泰国泰国曼谷王子理工学院先进制造创新学院计算机仿真工程研究组

- 发布日期：未直接标注，结合文献及引用确认可能为2020年代早期

• 主题：针对工业用超声波清洗槽的设计优化与清洗效率提升，尤其聚焦28kHz和40kHz频率的超声波清洗槽，通过ANSYS的谐响应分析（HRA）模拟声压分布，进而解决客户反馈的清洗不彻底及物件损坏问题。

核心论点：
现有的低频（28kHz）工业超声波清洗槽存在清洗效果不均匀，且部分被清洗物件损坏的问题。研究利用ANSYS软件的谐响应分析，模拟并分析清洗槽内声压分布，揭示声压分布的不均匀性是清洗问题的根源。通过调整传感器（PZT4压电换能器）的安装位置，优化声压分布，实现提升清洗效率和减少物件损害。该方法也验证适用于40kHz超声波清洗槽。
报告重视计算机仿真和实验验证相结合的方式，最终方案已被制造商采纳并转为商业化产品。[page::0,1,5]

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2. 逐节深度解读

2.1 摘要与引言

• 摘要内容：

- 介绍了一个典型工业超声波清洗槽的问题：清洗不彻底或损坏物品。该槽容量18L，8个PZT4换能器，工作频率28kHz，总功率400W。
- 通过ANSYS谐响应分析(HRA)模拟，发现槽内声压分布不均匀，声压分布特征依换能器布局而异，且温度升高导致声压下降，清洗效率降低。
- 实验用铝箔腐蚀测试和功率集中度测量验证模拟结果。通过模拟提出换能器重新布置方案，提升声压均匀性和强度，提高清洗效率。该方案同样适用于40kHz清洗槽。
- 研究成果获得制造商认可，应用于工业产品升级。[page::0]

• 引言解读：

- 超声清洗利用20-400kHz频率的超声波在清洗液中产生空化气泡，气泡崩溃时产生高温高压，使污染物脱落。
- 频率、溶剂类型、温度、时间和功率均影响清洗效果。低频产生较大气泡，声压高但可能损伤物品；高频产生小气泡，声压较低。
- 相关文献综述反映该领域聚焦于清洗工艺优化，包括提升空化效果、参数调整等。
- 计算机模拟（CFD等）在研究和工艺优化中发挥重要作用，能节省成本和时间。
- 目前HRA主要针对固体结构，本研究创新地将HRA应用于涉及固液多物理场的工业超声波清洗槽，结合液体声学和压电效应综合模拟。[page::0]

2.2 理论基础（章节2）

• 空化效应

- 超声波波动产生负压，气泡形成、震荡、最终崩溃产生空化效应。气泡峰值温度可超过5500°C，压力70MPa，清洗效应来自气泡崩溃瞬间的高能量释放。

• 有限元方程

- 清洗槽由三部分域组成：压电换能器（PZT4）、不锈钢槽体和水溶液，分别采用不同的有限元方程进行模拟。
- 换能器域为结构-电耦合方程（涉及结构刚度矩阵、介电矩阵和压电耦合矩阵）。
- 槽体域为刚体振动方程，水域采用声学波动方程（简化为线性传播、恒定密度及可压缩性）。
- HRA通过ANSYS分析频率响应，计算声压分布。\[
\nabla\left(\frac{1}{\rho}\nabla p\right)-\frac{\omega^{2}}{\rho c^{2}}p=0
\]

• HRA特点

- HRA通过有限元方法计算在多个频率点的稳态振动响应，获得振动传递给液体后的声压分布。
- 采用Galerkir方法从偏微分方程转为有限元动态方程，用于计算水域声压与换能器及结构振动的耦合。[page::1,2]

2.3 方法学与实验设计（章节3）

• 工业超声波槽描述

- 体积18L，尺寸245mm×340mm×225mm（宽长高），8个PZT4换能器（声学功率400W），频率28kHz，槽体材质不锈钢。

• CAD与网格模型

- 设计简化CAD模型，含水域、换能器和槽体结构，网格为六面体单元，节点64万，元素20万，保证每波长至少6个单元。
- 该网格既确保精度也降低计算时间。

• HRA仿真设置

- ANSYS 17.0结合Acoustics ACTxR170模块，换能器定义为压电材料，水域定义为声学流体域，槽体定义为固体结构。
- 设定材料参数基于制造商提供数据，如PZT4与水的密度、声速等。

• 实验确认

- 铝箔腐蚀试验：在槽内浸入20cm×29cm、0.038mm厚铝箔，声功率400W，Sonication 3分钟，温度45°C，评估铝失重分布关联声压分布。
- 功率集中测量：使用NGL UPC3000超声功率分析仪，测量不同温度（35°C至65°C）和不同槽内位置的功率集中度，分别作对比验证。
- 温度对清洗方案起关键影响，实验和模拟均反映温度升高导致声压及清洗效率下降。
- 实验温度微波动控制在±1°C范围。[page::2,3]

2.4 结果与讨论（章节4）

• 仿真与实验验证

- 图5对比声压分布模拟结果与铝箔腐蚀形态，双方高度吻合，验证模拟准确性。
- 发现槽内声压分布非均匀，某些区域声压接近零致清洗不彻底；另某些区域声压过高导致物品损坏。
- 由此推断清洗效果和物品损伤直接关联声压分布。

• 温度影响

- 图6显示随着温度升高，铝箔失重与最大负声压均显著下降。温度升高导致水的声学性质变化，声压减小，清洗效果变差。
- 图7显示功率集中度随温度上升下降，进一步验证声压效应。

• 换能器布局改进方案

- 提出4种布局模型A-D，改变换能器在上下及侧边的分布方式。
- 模型C（两侧各两个，底部四个一排）实现最佳声压均匀度和最大声压分布，提升潜在清洗能力。
- 通过ANSYS模拟28kHz和40kHz频率条件下的声压分布都显示模型C优越性。

• 材料影响

- PZT4和PZT8两种压电材料对比，PZT4产生更高声压，适合该工业应用，因其产生更强的空化能量。

• 工艺考虑

- 目前模拟基于带水的空槽，实际工业应用中含有待清洗物和表面活性剂，未来多频率、多物理场的仿真将提升实用价值。
- 多频换能器设计或将进一步优化清洗性能。

• 制造商应用

- 研究结果被产业厂商采纳用于新型超声波清洗槽的开发，具备更高效的商业应用潜力。[page::3,4,5,6,7]

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3. 重要图表与图像详解

图1（工业超声波槽照片）

• 真实工业模型，尺寸紧凑，含发电机和清洗槽。

- 明确物理形态，直观展现研究对象。[page::2]

图2（槽体尺寸示意图）

• 展示槽体长（34 cm）、宽（24.5 cm）、高（22.5 cm）及换能器位置布局，利于建模理解。

- 明确换能器分布，为后续仿真布局优化做基础。[page::3]

图3（简化CAD及网格模型）

• 清楚区分水域，壁体及换能器域，满足多物理场多域耦合。

- 网格显示细致，节点多保证结果精度。

• 根据六面体网格划分保证振动波长的6单元规则，提高计算效率和可靠性。[page::3]

图4（两项实验装置）

• (a)铝箔腐蚀测试装置，铝箔被浸入槽水平固定。

- (b)功率集中度测量仪用法示意，显示精密测量设备。

• 实验设计严谨，确保获得客观数据。[page::4]

图5（声压分布与铝箔腐蚀对比）

• 色彩图展示声压数值分布，与铝箔腐蚀局部破损区一致。

- 证实声压可准确预测空化区及损蚀位置。

• 进一步证明声压不均匀是清洗质量差异的根本原因。[page::5]

图6（声压负峰与铝箔失重关系）

• 随温度递增，最大负声压及失重同步降低，极大证明温度影响空化强度和清洗效果。

- 误差棒显示数据可靠性高。[page::5]

图7（声压与功率集中度关系）

• 两项指标随温度上升均呈下降趋势，进一步佐证声学机制对清洗效果的直接影响。

- 仿真与实测数据相符，增强了模拟结果的信度。[page::5]

图8（四种换能器布局模型示意）

• (a)当前布局（模型A）

- (b)模型B：两侧各2个，底部4个（非排成行）

• (c)模型C：两侧2个，底部4个排成一行（推荐方案）

- (d)模型D：两侧1个，底部6个

• 布局差异通过三维视图清晰呈现，用于后续声学性能比较。[page::6]

图9（28kHz四种布局的声压分布，PZT4）

• 图示模型C声压更均匀且最大峰值最高，优势明显。

- 其他模型存在明显声压死区或干涉衰减区域。

• 通过色谱对比定性和定量地展示布局重要性。[page::6]

图10（40kHz四种布局声压分布，PZT4）

• 40kHz频率下各布局声压分布更均匀，但模型C依然占优。

- 说明常用频率换能器布局优化方案的普适性。

• 更高频率产生更细小空化，更适合清洁细微颗粒。[page::7]

图11（28kHz四种布局声压分布，PZT8）

• PZT8材料导致整体声压水平较低，性能逊色于PZT4。

- 与图9对比，突出材料属性对空化效率影响。

• 支持文献中PZT4优于PZT8清洗应用的论断。[page::7]

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4. 估值部分简析

本研究为工业工程应用研究，未涉及财务估值，但模拟中的性能评价类似概念：

• 性能“估值”基于声压峰值高度和空间均匀性，声压越高且分布越均匀，空化效应越强，清洗性能越佳。

- 对比不同布局模型，即是对超声清洗槽“设计价值”的评估。

• 通过材料（PZT4 vs. PZT8）和频率（28kHz vs. 40kHz）比较，选取性能最优配置。

- 仿真验证和实际测试紧密结合，减少方案风险，提高实施成功率。

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5. 风险因素评估

该报告隐含的风险与挑战包括：

• 仿真模型与真实工况的差异。报告指出实验中添加了物品及表面活性剂会影响清洗效果，本研究仿真为水的单一溶液，存在简化风险。

- 温度控制有限，实际运行中温度波动影响声压，但槽无冷却系统，温度调控受限，影响清洗稳定性。

• 多频混合使用的复杂性未涉及，针对多颗粒尺寸及多污染类型，多频布局设计需进一步研究。

- 设备制造和安装复杂度提升。优化布局增加了换能器数量和复杂度，制造成本、维护难度或增大。

• 有限的仿真软件和物理模型的准确性依赖，特别是多物理耦合领域HRA方法在液体媒体中的应用仍属前沿，存在理论局限。[page::1,4,5]

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6. 审慎视角与细微差别

• 论文强调HRA在液体域的创新应用，但并未完全展开多物理耦合的具体数值稳定性与算法收敛验证，存在理论推断与实际计算局限风险。

- 温度影响虽被发现显著，但并未深入讨论机理细节，如声速随温度变化，液体粘度对空化的影响等非线性耦合。

• 实验仅采用铝箔腐蚀和功率集中度作为清洗效果的间接指标，未直接演示不同工件的清洗效果与损伤概率，实际应用可能存在偏差。

- 多数声压分布为二维截面，三维空间更复杂的声场特征可能未充分考量。

• 未详细披露谐响应分析中的边界条件设定与耦合参数选择，影响结果可重复性。

- 报告中偶有表格格式排版混乱，需要编辑完善。[page::1,4]

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7. 结论性综合

本报告通过将ANSYS谐响应分析方法创新性应用于工业超声波清洗槽，对槽内声学场进行了多物理场耦合模拟，结合铝箔腐蚀与功率集中度实验，系统验证了仿真模型的有效性。研究发现：

• 清洗槽中的声压分布不均造成部分区域清洗不足（声压近零）和物品损坏（声压过高）；

- 温度升高导致声压峰值降低，降低清洗效率，推荐水温控制在45°C以下；

• 通过调整8个PZT4压电换能器的位置设计，实现声压分布优化，其中模型C（两侧各2个，底部4个一排）在28kHz和40kHz频率下效果最佳；

- PZT4材料产生的声压明显优于PZT8，适用于该应用场景；

• 本方法为制造商提供了科学的设计依据，新设计已实施应用于商业化产品，提高工业超声波清洗设备的市场竞争力和用户满意度。

图表深度解析显示：

• 图5中声压分布与铝箔腐蚀高度吻合，体现仿真与实测对应性；

- 温度曲线（图6，图7）表征声学与传热耦合的显著影响；

• 换能器布局对声场的影响在图9-11中清晰呈现，视觉化证实声学性能改善方案；

- 材料对声音生成效率的影响也被定量展示。

总体而言，该报告成功展现了工业超声清洗器设计优化的理论框架、仿真验证与实际应用闭环，为相关工业设备的升级提供了具有参考价值和推广意义的研究成果。[page::0~7]

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参考文献重申

报告根据文献[1]-[27]系统梳理超声波清洗的理论基础和最新进展，借鉴前沿仿真方法，为本研究奠定坚实学术基础。[page::0,8]

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结束语

本报告紧密结合实际工业问题，突出仿真技术的创新应用，同时辅以严谨的实验验证。其成果不仅提升了28kHz工业超声波清洗槽的设计水平，还开拓了谐响应分析在液-固耦合声学领域的应用前景。唯一不足是未对多频多物理复杂工况进行更深入探讨，未来研究可进一步拓展该方向，丰富产品功能和适用范围。

综上，此报告对工业清洗设备的设计改良提供了科学、系统且操作性强的技术路线和理论支撑，极具专家与产业界参考价值。

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