超聲波換能器原理結構與選型標準

超聲波換能器原理與設計（超聲波振動系統(tǒng)）

　　摘要：就塑料焊接機的超聲波換能器系統(tǒng)進行設計和計算，并用PRO- E 三維軟件繪出三維模型，最后進行頻率分析，為超聲波換能系統(tǒng)提供了有用的設計方法。

關鍵詞：超聲波換能器，超聲波振子，超音波振動子，超聲波振動系統(tǒng)

　　當代社會，塑料的各種制品已滲透到人們日常生活的各個領域。傳統(tǒng)的加工工藝，已不能適應現代塑料工業(yè)的發(fā)展需要。超聲波塑料焊接機在焊接塑料制品時，既不要填加任何粘接劑、填料或溶劑，也不消耗大量熱源，具有操作簡便、焊接速度快、焊接強度高、生產效率高等優(yōu)點。因此，超聲波焊接技術越來越廣泛地獲得應用。超聲換能系統(tǒng)通常包括超聲波換能器和超聲波變幅桿，是進行超聲焊接加工的基礎組件，而良好的超聲換能器是保證超聲焊接加工的前提條件。

                                     超聲波焊接機用超聲波換能器

一.超聲換能器工作原理

　1.1　超聲換能器是將電能轉化為機械振動并放大振幅的部件，主要包括超聲換能器，超聲波變幅桿和超聲波焊頭。超聲波塑料焊接機上的超聲換能器的工作原理，就是利用壓電陶瓷材料的逆壓電效應產生振動工作的。將一壓電晶體置于外電場中，在電場的作用下，引起晶體內部正負電荷重心的移動，這一極化位移又導致晶體發(fā)生形變，這就叫做逆壓電效應。

　　超聲變幅桿是超聲加工處理設備中超聲振動系統(tǒng)的重要組成部分之一。在超聲振動系統(tǒng)工作過程中，由于超聲換能器輻射面所產生的振動幅度較小，當工作頻率在20 kHz 范圍內，超聲換能器的輻射面的振幅只有數微米，而在超聲焊接中所需要的振幅大約為數十至數百微米。所以必須借助變幅桿的作用，將機械振動質點的位移量和運動速度進行放大，并將超聲能量聚集在較小的面積上，產生聚能作用。超聲變幅桿還可以作為機械阻抗變換器，在換能器和負載之間架起橋梁，進行阻抗匹配，使超聲能量更有效地從換能器向負載傳輸。

1.2超聲波換能器的選型：

　　超聲波換能器是一種能量轉換器件，它的功能是將輸入的電功率轉換成機械功率（即超聲波）再傳遞出去，而它自身消耗掉很少的一部分功率（小于10%）。所以，使用超聲波換能器最應考慮的問題就是與輸入輸出端的匹配，其次是機械安裝和配合尺寸。市面上超聲波機械種類繁多，客戶必須提供準確可靠的指標，才能保證公司提供的超聲波換能器產品能與貴公司的超聲波機器良好匹配，發(fā)揮最佳性能。

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                         臺灣款式超聲波換能器（超聲波振子），常用品牌有：臺灣長榮、京華、明和、或類似機型。

臺灣款式柱形超聲波換能器

1.3超聲波換能器、超聲波振動子選型需要注意以下幾個參數問題：

① 諧振頻率： f, 單位： KHz

　　該頻率是指用頻率發(fā)生器，毫伏表等通過傳輸線路法測得的頻率，或用阻抗特性分析儀等類似儀器測得的頻率。一般通稱小信號頻率。與它相對的是上機頻率，即客戶將換能器通過電纜連到驅動電源上，通電后空載或有載時測得的實際工作頻率。因客戶的匹配電路各不相同，同樣的換能器配不同的驅動電源表現出來的頻率是不同的，這樣的頻率不能作為訂貨依據。

② 換能器電容量： CT ，單位：PF

　　即換能器自由電容，一般可用電容電橋在400Hz-1000Hz的頻率下測得，也可用阻抗特性分析儀類似儀器。再簡單點，用一般的便攜式電容表測量也可滿足要求。

③ 換能器工作方式

　　因加工方式和要求不同，換能器的工作方式大致可分為連續(xù)工作（花邊機，CD套機，拉鏈機，金屬焊接等）和脈沖式工作（如塑焊機），不同的工作方式對換能器的要求是不同的。一般而言，連續(xù)式工作幾乎沒有停頓時間，但工作電流不是很大，脈沖工作是間歇式的，有停頓，但瞬間電流很大。平均而言，兩種狀態(tài)的功率都很大的。

④ 換能器型式和最大功率

　　整機廠家可能對于不同用途和目的的機器的標稱功率有不同的規(guī)定，換句話說，同樣的換能器用在不同的機器上標稱功率可能是不同的。為避免產生岐義，客戶應詳細說明換能器的結構型式，如柱型、倒喇叭型等，及壓電陶瓷晶片的直徑和片數。

⑤ 安裝和配合尺寸

　　主要有超聲波變幅桿材質，表面處理方式，形狀。超聲波換能器與超聲波變幅桿連接螺紋，超聲波變幅桿與超聲波模具連接螺紋，超聲波變幅桿法蘭盤處直徑、厚度、缺口或螺孔數量和位置。什么結構的超聲波變幅桿和什么結構的換能器連接匹配也是有講究的，不能隨意連接。要從換能器的形式輸出振幅和變幅桿的結構和振幅統(tǒng)一考慮，不恰當的連接使用將會造成系統(tǒng)工作異常。

二. 超聲換能器系統(tǒng)的設計

　　超聲波塑料焊接機換能系統(tǒng)的設計，主要包括超聲換能器、超聲波變幅桿和焊頭3 個部分，如圖1 所示。超聲換能器主要是由前、后蓋板和夾在前后蓋板中間的陶瓷晶堆組成，從圖1可以看出，換能器的3 部分是由螺釘聯接在一起的。超聲波換能器和超聲波變幅桿之間以及變幅桿與焊頭之間，都是靠雙頭螺柱聯接在一起的。超聲塑料焊接機中把這樣聯接在一起的換能器、變幅桿和超聲波焊頭組成的系統(tǒng)，叫做振動系統(tǒng)。整個振動系統(tǒng)，是在變幅桿的變截面處通過法蘭的嵌合作用固聯在機架上的。

                                超聲波換能器機換能器

2.1超聲波換能器的設計

　　超音波塑料焊接機工作時，加工塑料工件需要的是高頻率的縱向振動，使得工件的上下模上下高頻振動熔化焊接層，得到焊接效果。因此選擇換能器的種類，是縱向復合式換能器，結構簡單，示意圖如圖2 所示。首尾兩塊是金屬蓋板；中間是壓電陶瓷晶堆，一般是縱向極化的帶圓孔片或圓管，也可以是徑向極化的圓管；一根應力螺桿將這3 部分緊緊壓牢。

1.高強度應力桿2.絕緣圈3.陶瓷片4.后蓋板5.引線6.前蓋板

　　                        　　 超聲波清洗換能器結構示意圖

                                                              超聲波清洗換能器

　　設計壓電陶瓷體，算得陶瓷片中超聲波傳播速度c = 2 418 m/s，陶瓷片直徑取D = 60 mm，陶瓷片數n = 2。計算前后蓋板長度和直徑，利用振動方程的通解條件，不難獲得頻率方程和前后振速比。前蓋板的尺寸，總是等于對應頻率上聲波在該蓋板中傳播波長的1/4，因此取前蓋板的長度為64 mm。選擇軟鋼做后蓋板，型號為45 號鋼，為了使換能器中后蓋板和陶瓷晶堆能有更好的聯接彈性，可以在等效特性聲阻抗的原理下把后蓋板和陶瓷晶堆相連的一部分換成硬鋁。取硬鋁為做前蓋板，型號為2A01，直徑和陶瓷晶片相同。

　　且取前后蓋板的形狀為圓柱形，直徑和陶瓷晶片相同。可以算出后蓋板的總長度為48 mm。

2.2 超聲波變幅桿的設計

　　根據超聲波塑料焊接機的工作情況，選擇變幅桿類型；按照振幅放大系數、波的功率和振幅大小的關系，得出變幅桿截面面積的大小，最后設計出變幅桿。

　　　算出換能器輸出端振幅A = 0.002 2 m，變幅桿輸出端振幅取為0.02 mm，因此振幅放大系數為= 9.09　　其中，ve變幅桿輸出端振幅，vf為換能器輸出端振幅。因此放大系數不會很大，選擇階梯型變幅桿，如圖3 所示。選擇硬鋁作為制作變幅桿的材料，硬鋁型號為2A01，算得變幅桿小端直徑d6 = 20 mm。為了使變幅桿輸出端得到最大的振幅和振速，取l5 = l6 = 64 mm，所以變幅桿長度L = l5 + l6 =128 mm。

　　　用PRO- E 軟件對變幅桿的頻率分析，首先根據變幅桿的尺寸用PRO- E 三維軟件繪出變幅桿的三維模型。其次用頻率分析工具對變幅桿作頻率分析，輸入最低頻率值為20 000 Hz，材料為2A01 以及材料的彈性模量為0.7×105 MPa, 泊松比為0.3。最后得出分析結果如圖4 所示，變幅桿輸出端振動頻率為20 544 Hz，和最初給出的頻率值20 kHz 相差不大，因此可以符合設計的要求。

2.3 超聲波焊接頭的設計

　　超聲波塑料焊接機工作時，工具頭作用在工件上的力大概為30～50 N，因此作用力并不大，屬于中等強度受力的工作情況，從而可以選擇型號為2A01 的硬鋁作為制造材料。要使工具頭能正常工作，則工具頭和變幅桿輸出端相聯的部分就要匹配。匹配指的是變幅桿輸出端和工具頭輸入端之間的阻抗匹配。因此要求在諧振頻率上在他們的接合面上，變幅桿的輸出阻抗等于工具頭的輸入阻抗。根據前面涉及到的知識，兩者阻抗相等只需要它們的橫截面積相等。因此選擇工具頭前半部分為直徑D = 20 mm的圓柱體，選擇輸出端直徑D = 16 mm，后半部分為圓錐體（如圖5 所示）。

　　　用PRO- E 軟件對超聲波焊頭頭的頻率分析，首先根據焊頭頭的尺寸用PRO- E 三維軟件繪出工具頭的三維模型。其次對工具頭作頻率分析，輸入最低頻率值為20 kHz，材料為2A01 以及材料的彈性模量為0.7×105 MPa，泊松比為0.3。得出的頻率分析圖如圖6 所示。

　　　從圖6 可以看出，焊頭頭小端面部分也就是圖中上部區(qū)域的共振頻率為20 021 Hz，與最初給出的超聲波的頻率20 kHz 相差不大，因此工具頭的設計可以滿足設計要求，工作時能夠和換能器經過變幅桿傳到焊頭頭輸入端的振動產生共振。

3 結束語

　　　根據任意變截面的振動方程，在振子各部分的坐標和邊界條件已知的情況下，解出振動方程的通解，最后圍繞通解和超聲波換能器各部分邊界條件，得出頻率方程、振速和應力分布方程，結合作為壓電效應陶瓷材料的特性等一系列知識，設計出超聲換能器。根據超聲塑料焊接機的工作情況，選擇變幅桿類型；按照振幅放大系數，波的功率和振幅大小的關系，得出變幅桿截面面積的大??；根據振速方程的通解和變幅桿的便捷條件，算出變幅桿各部分的應力和振速分布。根據頻率方程和強度條件，設計出了超聲塑料焊接機的焊頭。

　　通過一系列知識設計和計算，最后確定超聲換能器、變幅桿和工具頭的各部分尺寸，并通過PRO- E 軟件對其進行頻譜分析，驗證其滿足設計要求。從而完成了超聲波塑料焊接機的振動系統(tǒng)設計，為超聲振動系統(tǒng)提供了有用的設計步驟和方法。