超聲波換能器原理

超聲波換能器的工作原理

超聲波換能器又叫超聲波振子，是超聲波焊接機(jī)的高頻機(jī)械振動源及作用，就是將超聲波發(fā)生器輸出的電能或者磁能轉(zhuǎn)換成相同頻率的機(jī)械振動，超聲焊接機(jī)用的換能器，目前有兩種，一種是，磁致伸縮型換能器，另一種是壓電陶瓷換能器

壓電陶瓷片原理

超聲波換能器結(jié)構(gòu)

磁致伸縮式換能器，由于效率低，性價比低，還需外加直流極化磁場，因此目前超聲焊接機(jī)已經(jīng)很少使用。

壓電陶瓷換能器基本原理是建立在晶體材料的壓電效應(yīng)基礎(chǔ)上的，這種材料為壓電晶體材料，在超聲焊接機(jī)主要用的是壓電陶瓷產(chǎn)量，這種材料在成熟外地發(fā)生形變時，在壓電陶瓷晶體表面，會出現(xiàn)電荷，晶體內(nèi)部產(chǎn)生電場，反之，當(dāng)晶體呈受外電場作用時，金片會發(fā)生形變，這種現(xiàn)狀稱之為壓電效應(yīng)，前者稱正電效應(yīng)，或者稱逆電效應(yīng)。

超聲波換能器是超聲振動系統(tǒng)的核心部件，超聲波換能器設(shè)計的好壞，關(guān)系到焊接機(jī)工作的效率，穩(wěn)定性及壽命等，在市場上采用大部分的壓電陶瓷換能器，按照振動形式區(qū)別種類很多，如徑向振動模式，縱向復(fù)合式振動模式，剪切振動模式，厚度振動模式等。超聲波塑料焊接機(jī)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融化焊接層得到焊接效果。

壓電換能器的結(jié)構(gòu)：

壓電陶瓷換能器的結(jié)構(gòu)，由壓電陶瓷晶片，電極片，前后蓋等組成。后蓋板一般用質(zhì)量較大的鋼制成前蓋板由質(zhì)量輕的，高強(qiáng)度鋁合金或者鈦合金制造而成，它是利用了壓電陶瓷的縱向效應(yīng)器，陶瓷元件的極化方向，電場方向，機(jī)械振動方向，三者一致。這種換能器稱縱向復(fù)合振動換能器，它的長度方向尺寸遠(yuǎn)大于它們的寬度。

圖為國內(nèi)外焊接機(jī)常用的政治使用圖與結(jié)構(gòu)圖，圖中兩端是兩塊金屬蓋板，中間是壓電陶瓷元件堆，壓電陶瓷一般是縱向極化的帶孔圓片，一根應(yīng)立螺桿，將這三部分緊固在一起著，稱為預(yù)應(yīng)力螺桿。他只陶瓷元件，具有較大的抗壓強(qiáng)度，同時在大功率驅(qū)動下，陶瓷元件取壓縮狀態(tài)，從而避免膨脹所造成的破裂

這種換能器通過改變前后蓋的材料尺寸來控制換能器的頻率帶寬，前后增速比和有效機(jī)電耦合系數(shù)等性能參數(shù)。對于超聲焊接機(jī)來說，極諧振頻率（串并聯(lián)），，并聯(lián)阻抗、靜態(tài)電容，前和振速比等參數(shù)十分重要的。超聲焊接機(jī)常用的正向振動換能器是半波長換能器，1/4波長換能器用的比較少。

壓電陶瓷換能器的優(yōu)點(diǎn)：

1.陶瓷元件大都是具有較大的抗壓強(qiáng)度，中心螺桿給予御用，另一方面在環(huán)境強(qiáng)度發(fā)生變化時增強(qiáng)，換能器的穩(wěn)定性，另一方面確保原件在大功率驅(qū)動下取壓縮狀態(tài)，從而避免，陶瓷盤帳而造成的破裂，因為陶瓷材料的缺點(diǎn)是可允許的張應(yīng)力小

2. 因為中間的集合部分是由一組電極軸在兩端面的軸向極化圓環(huán)上組成，從而能用最大的有效耦合系數(shù)k33.

3. 圓環(huán)的數(shù)目及連接方式都有選擇余地，從而能較寬的阻抗及頻率范圍設(shè)計換能器

4. 改變首尾金屬蓋板的材料尺寸，能夠控制換能器的帶寬，前后振速比和有效機(jī)電耦合系數(shù)等性能參數(shù)

變幅桿的類型及作用：

變幅桿又叫聚能器，在聲學(xué)系統(tǒng)中起著放大換能器輸出的振幅并耦合傳輸?shù)焦ぜ淖饔谩８鞣N錐形桿都可以作為變幅桿，設(shè)計各種變幅桿，共同目標(biāo)是指變幅桿的自振頻率人，與換能器的推動頻率諧振，并在結(jié)構(gòu)上考慮合適的放大倍數(shù)，低的傳輸損耗，以及自身具備的足夠機(jī)械強(qiáng)度。

變幅桿可分為縱向振動變幅桿，彎曲振動變幅桿，扭轉(zhuǎn)振動變幅桿，其中縱向變幅桿可分為簡單型，復(fù)合型。簡單型又可以分為指數(shù)型，圓錐型，懸鏈型，階梯形，而復(fù)合型由各種簡單型變幅桿，根據(jù)實際需要組合而成的。

　由于在超聲波塑料焊接中負(fù)載是固體，在加工過程中，需要始終施加一定的靜壓力，而且負(fù)載也不斷發(fā)生變化，這種情況下不但要求變幅桿，要有足夠大的放大系數(shù)，而且要有較高的工作穩(wěn)定性和足夠的彎曲勁度。用指數(shù)型變幅桿，懸鏈線型變幅桿，或其他，形式的復(fù)合型變幅桿比較合適，當(dāng)不大要求很大的放大系數(shù)時，最好采用圓錐形變幅桿，或者是階梯形變幅桿，因為它們的彎曲勁度較大，工作穩(wěn)定性高，而且便于外形加工。

超聲波變幅桿作用在疲勞條件下，設(shè)計師用重點(diǎn)考慮結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，特別是聲學(xué)系統(tǒng)個夠，組員的連接部位，更是需要特別注意，材料的抗疲勞強(qiáng)度極窄，小震動是內(nèi)耗式選擇變幅桿材料的主要依據(jù)，目前常用的材料有45號鋼，30CrMnSi超硬鋁合金以及鈦合金。