超聲變幅桿的應用與發展

鞏建輝 趙 鵬 姚 靜

1 變幅桿的功能簡介

超聲變幅桿是超聲振動系統中的重要組成部分，又稱為超聲聚能器和超聲變速桿。在超聲技術中它不僅具有放大機械振動系統質點的位移或速度功能，還具有將振動能量聚集和匹配系統阻抗的作用。在超聲振動系統中，換能器是整個系統的振動源，但是在振動頻率高達2 000 Hz的范圍內，換能器端面的輸出振幅僅有幾微米，這樣達不到實際使用的要求，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。當換能器向液體介質輻射聲場時，由于聲波在傳播的過程中經過不同的介質阻抗不匹配，導致能量的傳輸效率下降，此時就可以使用變幅桿通過增大輻射面積來進行阻抗匹配，從而提升了能量傳輸的效率。隨著聲學技術的發展，變幅桿的應用愈加廣泛，將會發揮更大的作用。

2 變幅桿的研究現狀

2.1 發展歷史

為了提高超聲應用系統的功率和效率，人類早在20世紀40年代就發明了縱振指數型變幅桿，到了50年代懸鏈線型變幅桿和多級組合變幅桿被蘇聯學者提出。60年代對變幅桿的研究更加深入，對變幅桿的設計要求更細更高，提出了描述變幅桿形狀因數的概念，并成功設計出高斯型變幅桿，該變幅桿具有應力沿桿件均勻分布的特點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構，90年代根本佐久良雄等人則提出了夾心扭轉換能器結構，隨著換能器技術的進步與之匹配的變幅桿也得到了相應的發展，彎曲振動變幅桿和扭轉振動變幅桿也先后被研發并應用，這樣使變幅桿的工業應用范圍進一步擴大。變幅桿除了以上桿件形狀外，等厚度或變厚度的盤形或環形以及大塊狀變幅桿在大功率超聲冷拔絲、超聲焊接、超聲切割中得到應用。總之隨著超聲技術的進步變幅桿從簡單到復雜，應用領域愈加廣泛。

2.2 研究現狀

隨著超聲技術應用的日益廣泛，對超聲系統的要求也越來越高，變幅桿作為超聲系統的重要組成部分自然成為研究的熱點問題之一，廣大學者對超聲變幅桿的設計研究從未停止。張然等設計了一種前端開橫向矩形通孔的柱型變幅桿，利用有限元法計算了相關重要參數并進行優化，結果表明設計的變幅桿比傳統變幅桿放大倍數有大幅提高。劉澤祥等優化設計了帶中心孔的階梯-圓錐型超聲變幅桿，利用MATLAB進行數值求解，采用ANSYS對變幅桿進行動力學分析和優化設計，減少了設計周期和設計成本。總體來說目前變幅桿的設計類型主要有縱振、彎振、扭轉振動以及縱扭復合振動變幅桿，其中縱振變幅桿研究最多。變幅桿的設計的基本方法有傳統解析法、等效電路法、傳輸矩陣法、替代法、表觀彈性法及有限元優化設計法等，其中有限元優化設計法成為當前的主要方法。有限元軟件主要采用ANSYS，優化的主要目標是提高放大倍數、減小應力極值以及使諧振頻率接近理論設計頻率。主要通過改變幾何尺寸和形狀達到優化的目的，從而設計出符合實際要求的最佳性能變幅桿。

3 變幅桿的應用領域

3.1 超聲加工

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

3.2 超聲焊接

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

3.3 超聲清洗

超聲清洗機是由清洗槽、振動子和控制柜組成。振動子是它的核心組成部分由換能器和變幅桿組成，是超聲波的產生源，是將高頻電信號轉化為高頻振動，耦合到水中產生超聲波。然后利用超聲波在液體中的空化作用、加速度作用及直進流作用對液體和污物直接、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。超聲乳化的應用較為廣泛，可為農業制取某些農藥乳劑，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生的波源，它能將電能轉化為機械能，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渡段，這樣能夠保證放大倍數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程。該技術廣泛地應用在化工、醫藥、生物等領域。超聲粉碎需要較大的位移振幅，這就需要使用變幅桿來放大換能器產生的振幅，一般采用多級復合變幅桿，變幅桿的具體類型根據粉碎的對象的不同而異。

3.6 超聲搪錫

是利用超聲在錫液中產生的空化作用來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程。現在鋁導線或鋁電纜的應用日益廣泛，特別是在航空工業上的應用日益增多，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，由于在搪錫過程中是高溫環境所以主要采用磁致伸縮換能器和全波長變幅桿便于冷卻。

變幅桿除過以上應用外，還可以用于超聲霧化、超聲疲勞測試、超聲馬達、超聲治療等領域，由于篇幅有限這里不再一一列舉。

4 變幅桿的應用展望

隨著科學技術的發展，超聲技術應用愈加廣泛，變幅桿作為超聲處理裝置中重要的部件之一，必然會更加深入的應用到機械加工、建筑、石油、化工、汽車、軍事等更多的領域，這就對變幅桿的研發人員提出了更高的要求，依據各個行業領域的不同技術要求設計出更多更優的變幅桿為超聲技術的進一步發展貢獻自己的力量。