超声波变幅杆

超声波振动系统的组成部分

超声波变幅杆是超声波振动系统中一个重要的组成部分，主要作用是把机械振动的质点位移或速度放大，并将超声能量集中在较小的面积上即聚能。

简介

超声变幅杆是超声波振动系统中一个重要的组成部分，它在振动系统中的主要作用是把机械振动的质点位移或速度放大，并将超声能量集中在较小的面积上即聚能，因此也称超声变速杆或超声聚能器。

超声波变幅杆(超声波变幅器)顾名思义就是配合超声波换能器改变超声波振动幅度的功能组件。其主要作用是改变换能器的振幅(一般是增大)、提高振速比、提高效率，提高机械品质因数，加强耐热性，扩大适应温度范围，延长换能器的使用寿命。超声波换能器通过安装变幅杆(超声波变幅器)调整了换能器与超声波工具头之间的负载匹配，减小了谐振阻抗，使其在谐振频率工作提高了电声转换效率，有效降低了超声波换能器的发热量，提高使用寿命。

发展历史

上世纪40年代发明的纵振指数型变幅杆，是为了高强大功率超声波的应用。

50年代原苏联学者提出悬链线型变幅杆和多级组合变幅杆。

60年代提出了描述变幅杆形状因数的概念，并发展了一种应力沿杆件均匀分布的高斯型变幅杆，获得了高位移振幅。森荣司提出振动方向变换器，开辟了用变幅杆件功率合成方法获得高强特大功率(50KW以上)超声的途径。

上世纪80年代森荣司等又提出夹心弯曲换能器结构。

90年代根本佐久良雄等人则提出了夹心扭转换能器结构。

随后又出现了弯曲振动变幅杆和扭转振动变幅杆，扩大了工业应用范围。

除了以上杆件形状外，在大功率超声冷拔丝、管等应用中出现了等厚度或变厚度的盘形或环形聚能器;在超声焊接、切割中又出现了大型块状变幅杆件。

分类

按照振动类型，可分为纵振、扭振、弯振以及复合振动(纵弯、纵扭、弯扭)，四类。在功率超声的加工和处理应用中，纵振型应用最为普遍。

从单一变幅杆的母线形状来分类，又可分为阶梯、指数、悬链线、圆锥、高斯、傅里叶、余弦等类型，若将这些单一形状变幅杆组合起来进行设计，则是复合型变幅杆。

按其功能来分，又可分为二分之一波长和四分之一波长两种。虽然分类较多，但纵振、扭振和弯振变幅杆的设计都是从其相应的振动方程出发，设计过程及步骤都是一样的。

适用范围

超声波变幅杆被广泛应用于化工、石油、塑料焊接、金属焊接、打孔、车削、清洗、机械加工等诸多领域。

二分之一波长的纵振变幅杆有以下几种设计方案：

现状

不同形状函数变幅杆性能表达式复杂、计算工作量大, 因此有人研究开发了一些变幅杆设计计算软件。这在一定范围内能减轻实际设计的工作量, 但软件设计的理论基础还是传统设计方法的表达式，对不同形状的变幅杆或由此组成的复合杆，想全面将杆件的设计尺寸( 或频率)、位移节点、放大系数、形状因数、在杆件中的应力和位移分布曲线同时计算并展现出来，以利于从各个性能指标中

综合分析和选择杆件, 还是有一定难度的。这就需要发展一种对变幅杆各参量进行计算和表达的方法。文献研究了对各种不同单级变幅杆的性能参量进行了统一表达的方法。该方法基于对变幅杆

两端面上的边界条件设置了四个任意常数，统一了变幅杆的各性能参量表达式。是通过人为设置的四个任意常数来统一的设计方法，不利于在复合杆中计算和设计。如果能用设计方法本身统一各单级变幅杆各性能参数的表达式就可以方便地设计组合复杂的复合杆，而且用统一的表达式，也能更方便更深入地研究变幅杆的声学性质。

发展

人提出对传统形状函数的变幅杆进行优化设计, 目的是在材料不变的情况下, 使放大系数更大而应力也不会集中(实际上是使形状因数变大)。

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