超声变幅杆的应用与发展

巩建辉 赵 鹏 姚 静

1 变幅杆的功能简介

超声变幅杆是超声振动系统中的重要组成部分，又称为超声聚能器和超声变速杆。在超声技术中它不仅具有放大机械振动系统质点的位移或速度功能，还具有将振动能量聚集和匹配系统阻抗的作用。在超声振动系统中，换能器是整个系统的振动源，但是在振动频率高达2 000 Hz的范围内，换能器端面的输出振幅仅有几微米，这样达不到实际使用的要求，在这种情况下就需要在换能器上安装变幅杆体到增幅作用。当换能器向液体介质辐射声场时，由于声波在传播的过程中经过不同的介质阻抗不匹配，导致能量的传输效率下降，此时就可以使用变幅杆通过增大辐射面积来进行阻抗匹配，从而提升了能量传输的效率。随着声学技术的发展，变幅杆的应用愈加广泛，将会发挥更大的作用。

2 变幅杆的研究现状

2.1 发展历史

为了提高超声应用系统的功率和效率，人类早在20世纪40年代就发明了纵振指数型变幅杆，到了50年代悬链线型变幅杆和多级组合变幅杆被苏联学者提出。60年代对变幅杆的研究更加深入，对变幅杆的设计要求更细更高，提出了描述变幅杆形状因数的概念，并成功设计出高斯型变幅杆，该变幅杆具有应力沿杆件均匀分布的特点从而提高了变幅杆的使用寿命并获得高位移振幅。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，随着换能器技术的进步与之匹配的变幅杆也得到了相应的发展，弯曲振动变幅杆和扭转振动变幅杆也先后被研发并应用，这样使变幅杆的工业应用范围进一步扩大。变幅杆除了以上杆件形状外，等厚度或变厚度的盘形或环形以及大块状变幅杆在大功率超声冷拔丝、超声焊接、超声切割中得到应用。总之随着超声技术的进步变幅杆从简单到复杂，应用领域愈加广泛。

2.2 研究现状

随着超声技术应用的日益广泛，对超声系统的要求也越来越高，变幅杆作为超声系统的重要组成部分自然成为研究的热点问题之一，广大学者对超声变幅杆的设计研究从未停止。张然等设计了一种前端开横向矩形通孔的柱型变幅杆，利用有限元法计算了相关重要参数并进行优化，结果表明设计的变幅杆比传统变幅杆放大倍数有大幅提高。刘泽祥等优化设计了带中心孔的阶梯-圆锥型超声变幅杆，利用MATLAB进行数值求解，采用ANSYS对变幅杆进行动力学分析和优化设计，减少了设计周期和设计成本。总体来说目前变幅杆的设计类型主要有纵振、弯振、扭转振动以及纵扭复合振动变幅杆，其中纵振变幅杆研究最多。变幅杆的设计的基本方法有传统解析法、等效电路法、传输矩阵法、替代法、表观弹性法及有限元优化设计法等，其中有限元优化设计法成为当前的主要方法。有限元软件主要采用ANSYS，优化的主要目标是提高放大倍数、减小应力极值以及使谐振频率接近理论设计频率。主要通过改变几何尺寸和形状达到优化的目的，从而设计出符合实际要求的最佳性能变幅杆。

3 变幅杆的应用领域

3.1 超声加工

变幅杆是超声加工系统的重要组成部分，主要应用于在超声加工中。超声加工与传统的机械加工相比，优点是加工的光洁度和精度高，易于微小孔加工与抛光，加工的时间明显缩短，提高了工作效能，还能够克服传统加工弊端，改善加工工件的质量，特别适合硬脆性难加工材料、航天航空等特殊材料领域解决了很多关键性的问题，因此超声加工被广泛应用于3C行业、航空航天、5G新材料和新能源等行业。

3.2 超声焊接

超声焊接系统主要由超声波发生器、变幅杆和焊头组成，其中变幅杆所体的作用是将超声波发生器产生的机械振动变幅后传递给焊头，焊头将接收到的振动能量传递到待焊接工件的接合部，在该区域，振动能量被通过摩擦方式转换成热能，将需要焊接的部件区域熔化。超声波不仅可以被用来焊接金属、硬热塑性塑料，还可以加工织物和薄膜等。

3.3 超声清洗

超声清洗机是由清洗槽、振动子和控制柜组成。振动子是它的核心组成部分由换能器和变幅杆组成，是超声波的产生源，是将高频电信号转化为高频振动，耦合到水中产生超声波。然后利用超声波在液体中的空化作用、加速度作用及直进流作用对液体和污物直接、间接作用，使污物层被分散、乳化和剥离而达到清洗的目的。

3.4 超声乳化

超声乳化就是把两种互不相溶的液体在超声的作用下混合成乳浊液的工艺工程。超声乳化的应用较为广泛，可为农业制取某些农药乳剂，可使油水混合形成乳化液等。在超声乳化装置中变幅杆和换能器是装置的核心部分，其中换能器是超声波产生的波源，它能将电能转化为机械能，变幅杆接在换能器的输出端起到位移振幅放大的作用，变幅杆类似阶梯变幅杆，与阶梯变幅杆不同的是与换能器连接的地方有一斜削的过渡段，这样能够保证放大倍数接近阶梯变幅杆的理论值。

3.5 超声粉碎

所谓超声粉碎是在超声的作用下，使液体中的固体颗粒或生物组织等破碎的过程。该技术广泛地应用在化工、医药、生物等领域。超声粉碎需要较大的位移振幅，这就需要使用变幅杆来放大换能器产生的振幅，一般采用多级复合变幅杆，变幅杆的具体类型根据粉碎的对象的不同而异。

3.6 超声搪锡

是利用超声在锡液中产生的空化作用来除去浸于锡液中的金属表面的氧化物，从而使锡牢固地附着在该金属的表面上的一种工艺过程。现在铝导线或铝电缆的应用日益广泛，特别是在航空工业上的应用日益增多，超声搪锡具有非常重要的意义。变幅杆是超声搪锡装置中重要的部件之一，由于在搪锡过程中是高温环境所以主要采用磁致伸缩换能器和全波长变幅杆便于冷却。

变幅杆除过以上应用外，还可以用于超声雾化、超声疲劳测试、超声马达、超声治疗等领域，由于篇幅有限这里不再一一列举。

4 变幅杆的应用展望

随着科学技术的发展，超声技术应用愈加广泛，变幅杆作为超声处理装置中重要的部件之一，必然会更加深入的应用到机械加工、建筑、石油、化工、汽车、军事等更多的领域，这就对变幅杆的研发人员提出了更高的要求，依据各个行业领域的不同技术要求设计出更多更优的变幅杆为超声技术的进一步发展贡献自己的力量。