超聲變幅桿的應(yīng)用與發(fā)展

鞏建輝 趙 鵬 姚 靜

1 變幅桿的功能簡(jiǎn)介

超聲變幅桿是超聲振動(dòng)系統(tǒng)中的重要組成部分，又稱為超聲聚能器和超聲變速桿。在超聲技術(shù)中它不僅具有放大機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)點(diǎn)的位移或速度功能，還具有將振動(dòng)能量聚集和匹配系統(tǒng)阻抗的作用。在超聲振動(dòng)系統(tǒng)中，換能器是整個(gè)系統(tǒng)的振動(dòng)源，但是在振動(dòng)頻率高達(dá)2 000 Hz的范圍內(nèi)，換能器端面的輸出振幅僅有幾微米，這樣達(dá)不到實(shí)際使用的要求，在這種情況下就需要在換能器上安裝變幅桿體到增幅作用。當(dāng)換能器向液體介質(zhì)輻射聲場(chǎng)時(shí)，由于聲波在傳播的過(guò)程中經(jīng)過(guò)不同的介質(zhì)阻抗不匹配，導(dǎo)致能量的傳輸效率下降，此時(shí)就可以使用變幅桿通過(guò)增大輻射面積來(lái)進(jìn)行阻抗匹配，從而提升了能量傳輸?shù)男省ｋS著聲學(xué)技術(shù)的發(fā)展，變幅桿的應(yīng)用愈加廣泛，將會(huì)發(fā)揮更大的作用。

2 變幅桿的研究現(xiàn)狀

2.1 發(fā)展歷史

為了提高超聲應(yīng)用系統(tǒng)的功率和效率，人類早在20世紀(jì)40年代就發(fā)明了縱振指數(shù)型變幅桿，到了50年代懸鏈線型變幅桿和多級(jí)組合變幅桿被蘇聯(lián)學(xué)者提出。60年代對(duì)變幅桿的研究更加深入，對(duì)變幅桿的設(shè)計(jì)要求更細(xì)更高，提出了描述變幅桿形狀因數(shù)的概念，并成功設(shè)計(jì)出高斯型變幅桿，該變幅桿具有應(yīng)力沿桿件均勻分布的特點(diǎn)從而提高了變幅桿的使用壽命并獲得高位移振幅。80年代森榮司等又提出夾心彎曲換能器結(jié)構(gòu)，90年代根本佐久良雄等人則提出了夾心扭轉(zhuǎn)換能器結(jié)構(gòu)，隨著換能器技術(shù)的進(jìn)步與之匹配的變幅桿也得到了相應(yīng)的發(fā)展，彎曲振動(dòng)變幅桿和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)變幅桿也先后被研發(fā)并應(yīng)用，這樣使變幅桿的工業(yè)應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。變幅桿除了以上桿件形狀外，等厚度或變厚度的盤(pán)形或環(huán)形以及大塊狀變幅桿在大功率超聲冷拔絲、超聲焊接、超聲切割中得到應(yīng)用。總之隨著超聲技術(shù)的進(jìn)步變幅桿從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，應(yīng)用領(lǐng)域愈加廣泛。

2.2 研究現(xiàn)狀

隨著超聲技術(shù)應(yīng)用的日益廣泛，對(duì)超聲系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高，變幅桿作為超聲系統(tǒng)的重要組成部分自然成為研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一，廣大學(xué)者對(duì)超聲變幅桿的設(shè)計(jì)研究從未停止。張然等設(shè)計(jì)了一種前端開(kāi)橫向矩形通孔的柱型變幅桿，利用有限元法計(jì)算了相關(guān)重要參數(shù)并進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明設(shè)計(jì)的變幅桿比傳統(tǒng)變幅桿放大倍數(shù)有大幅提高。劉澤祥等優(yōu)化設(shè)計(jì)了帶中心孔的階梯-圓錐型超聲變幅桿，利用MATLAB進(jìn)行數(shù)值求解，采用ANSYS對(duì)變幅桿進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少了設(shè)計(jì)周期和設(shè)計(jì)成本。總體來(lái)說(shuō)目前變幅桿的設(shè)計(jì)類型主要有縱振、彎振、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)以及縱扭復(fù)合振動(dòng)變幅桿，其中縱振變幅桿研究最多。變幅桿的設(shè)計(jì)的基本方法有傳統(tǒng)解析法、等效電路法、傳輸矩陣法、替代法、表觀彈性法及有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)法等，其中有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)法成為當(dāng)前的主要方法。有限元軟件主要采用ANSYS，優(yōu)化的主要目標(biāo)是提高放大倍數(shù)、減小應(yīng)力極值以及使諧振頻率接近理論設(shè)計(jì)頻率。主要通過(guò)改變幾何尺寸和形狀達(dá)到優(yōu)化的目的，從而設(shè)計(jì)出符合實(shí)際要求的最佳性能變幅桿。

3 變幅桿的應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 超聲加工

變幅桿是超聲加工系統(tǒng)的重要組成部分，主要應(yīng)用于在超聲加工中。超聲加工與傳統(tǒng)的機(jī)械加工相比，優(yōu)點(diǎn)是加工的光潔度和精度高，易于微小孔加工與拋光，加工的時(shí)間明顯縮短，提高了工作效能，還能夠克服傳統(tǒng)加工弊端，改善加工工件的質(zhì)量，特別適合硬脆性難加工材料、航天航空等特殊材料領(lǐng)域解決了很多關(guān)鍵性的問(wèn)題，因此超聲加工被廣泛應(yīng)用于3C行業(yè)、航空航天、5G新材料和新能源等行業(yè)。

3.2 超聲焊接

超聲焊接系統(tǒng)主要由超聲波發(fā)生器、變幅桿和焊頭組成，其中變幅桿所體的作用是將超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)變幅后傳遞給焊頭，焊頭將接收到的振動(dòng)能量傳遞到待焊接工件的接合部，在該區(qū)域，振動(dòng)能量被通過(guò)摩擦方式轉(zhuǎn)換成熱能，將需要焊接的部件區(qū)域熔化。超聲波不僅可以被用來(lái)焊接金屬、硬熱塑性塑料，還可以加工織物和薄膜等。

3.3 超聲清洗

超聲清洗機(jī)是由清洗槽、振動(dòng)子和控制柜組成。振動(dòng)子是它的核心組成部分由換能器和變幅桿組成，是超聲波的產(chǎn)生源，是將高頻電信號(hào)轉(zhuǎn)化為高頻振動(dòng)，耦合到水中產(chǎn)生超聲波。然后利用超聲波在液體中的空化作用、加速度作用及直進(jìn)流作用對(duì)液體和污物直接、間接作用，使污物層被分散、乳化和剝離而達(dá)到清洗的目的。

3.4 超聲乳化

超聲乳化就是把兩種互不相溶的液體在超聲的作用下混合成乳濁液的工藝工程。超聲乳化的應(yīng)用較為廣泛，可為農(nóng)業(yè)制取某些農(nóng)藥乳劑，可使油水混合形成乳化液等。在超聲乳化裝置中變幅桿和換能器是裝置的核心部分，其中換能器是超聲波產(chǎn)生的波源，它能將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，變幅桿接在換能器的輸出端起到位移振幅放大的作用，變幅桿類似階梯變幅桿，與階梯變幅桿不同的是與換能器連接的地方有一斜削的過(guò)渡段，這樣能夠保證放大倍數(shù)接近階梯變幅桿的理論值。

3.5 超聲粉碎

所謂超聲粉碎是在超聲的作用下，使液體中的固體顆粒或生物組織等破碎的過(guò)程。該技術(shù)廣泛地應(yīng)用在化工、醫(yī)藥、生物等領(lǐng)域。超聲粉碎需要較大的位移振幅，這就需要使用變幅桿來(lái)放大換能器產(chǎn)生的振幅，一般采用多級(jí)復(fù)合變幅桿，變幅桿的具體類型根據(jù)粉碎的對(duì)象的不同而異。

3.6 超聲搪錫

是利用超聲在錫液中產(chǎn)生的空化作用來(lái)除去浸于錫液中的金屬表面的氧化物，從而使錫牢固地附著在該金屬的表面上的一種工藝過(guò)程。現(xiàn)在鋁導(dǎo)線或鋁電纜的應(yīng)用日益廣泛，特別是在航空工業(yè)上的應(yīng)用日益增多，超聲搪錫具有非常重要的意義。變幅桿是超聲搪錫裝置中重要的部件之一，由于在搪錫過(guò)程中是高溫環(huán)境所以主要采用磁致伸縮換能器和全波長(zhǎng)變幅桿便于冷卻。

變幅桿除過(guò)以上應(yīng)用外，還可以用于超聲霧化、超聲疲勞測(cè)試、超聲馬達(dá)、超聲治療等領(lǐng)域，由于篇幅有限這里不再一一列舉。

4 變幅桿的應(yīng)用展望

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，超聲技術(shù)應(yīng)用愈加廣泛，變幅桿作為超聲處理裝置中重要的部件之一，必然會(huì)更加深入的應(yīng)用到機(jī)械加工、建筑、石油、化工、汽車、軍事等更多的領(lǐng)域，這就對(duì)變幅桿的研發(fā)人員提出了更高的要求，依據(jù)各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域的不同技術(shù)要求設(shè)計(jì)出更多更優(yōu)的變幅桿為超聲技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展貢獻(xiàn)自己的力量。