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什么是换能器幅度的均匀性?

换能器

介绍

幅度均匀性(通常只是“均匀性”)是幅度在给定表面上变化的量度。

需要统一的变幅杆

例如一个超声波塑料焊接应用,其中两个厚度均匀的非常柔顺的带焊接在一起。为了沿接头均匀焊接,必须向沿焊接接头的每个点输送等量的超声波能量。由于能量传递是变幅杆振幅的函数,因此相等的能量传递需要变幅杆接触带材的每个位置处的变幅杆振幅相等。如果变幅杆面振幅不均匀,则接头的某些部分可能焊缝不足,而其他部分焊缝过度。因此,变幅杆面振幅的均匀性是变幅杆设计中的一个重要考虑因素。(注意:目前,此讨论将仅限于喇叭面的均匀性。然而,螺柱表面的振幅均匀性也很重要,稍后将讨论。)

精确的均匀性要求将取决于应用。刚性塑料在某种程度上可以容忍不均匀的变幅杆。这是因为坚硬的塑料可以将超声波能量传输到相邻的关节区域,从而导致沿关节的能量分布更加均匀。此外,刚性塑料允许连接(能量导向器),有时可以补偿变幅杆均匀性不足。最后,许多塑料焊接应用仅需要一定的平均焊接强度,因此允许沿接头的一些过焊和欠焊。

哪些情况下需要高均匀性:

1、密封。气密密封要求沿其整个周边有足够的接合强度。统一的号角提高了成功的可能性。

2、薄膜应用。在焊接薄膜(如合成纤维织物)时,薄膜太柔韧,无法将超声波能量传输到相邻区域。此外,这部电影不能与能源导演一起设计。因此,正确焊接的全部责任在于焊头(假设夹具已正确设计)。

3、复合变幅杆复合变幅杆由连接有尖端变幅杆的母变幅杆组成。如果母变幅杆没有均匀的面振幅,则尖端变幅杆会弯曲。这会导致尖端变幅杆的疲劳失效、尖端和母变幅杆之间的连接问题、转换器的弯曲故障、虚假共振问题和焊接不良。

4、高振幅接头。当关节以高振幅运行时,关节可能会因接触界面处的微动而劣化。这会导致发热和更高的功率损耗;如果问题很严重,关节可能会卡住。如果接头具有高振幅并且变幅杆在接头上的均匀性较差,则此问题会更糟。

不均匀的原因

幅度不均匀性是由泊松耦合引起的,因此当谐振器纵向振动时,它会横向“呼吸”。然而,这种呼吸沿着谐振器的长度并不均匀——即,在应变(应力)最高的地方呼吸量最大。因此,对于未成形的谐振器,呼吸将在节点处最高,而在输出和输入表面处最低(接近零)。这种不均匀的呼吸分布导致不均匀的面部振幅。这种效果如下图所示。

超声波

呼吸量取决于三个因素

1、泊松比。具有高泊松比的材料呼吸更多,因此振幅均匀性降低。

2、细线波长。具有短波长(低波速)的材料在给定的振幅下具有更大的应变,因此呼吸更大。

3、横向尺寸。具有较大宽度、厚度或直径的谐振器将比其较薄的谐振器呼吸更多。

第一个因素仅取决于材料。第二个因素取决于材料(波速)和频率。第三个因素取决于谐振器设计。可以结合第二和第三因素来定义谐振器的细长。

对于未成形的谐振器,横向尺寸是直径。因此,当谐振器直径等于细线半波长时,细长为 1.0。

波长与频率成反比。因此,如果谐振器的横向尺寸不变,则谐振器在20 kHz时看起来很细,但在40 kHz时可能会显得“粗壮”。(没有特定的细长值可以将谐振器视为坚固。)

因此,为了减少呼吸和提高均匀性——

1、谐振器应该是细长的(长波长和小的横向尺寸)。

2、谐振器材料应具有低泊松比。

下表和图表显示了由典型声学材料(铝、钛和钢)和两种相当极端的材料(铝铍复合材料和黄铜)制成的20 kHz未成形Ø125 mm号角的这些效果。

表注:

1、变幅杆是未成形的,没有螺柱。

2、下表提供了上表的一些附加信息。请注意,通用材料属性用于铝、钛和钢。

3、细线波速计算为

4、给定的调谐长度仅适用于 20 kHz 未定型 Ø125 mm 号角。

5、最大径向振幅出现在节点处。它的值与变幅杆表面中心的轴向振幅有关。

不均匀性
各种材料的
20 kHz Ø125 mm 不成形圆柱体的不均匀性
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