超聲波換能器是構(gòu)成超聲波振動子的基本元件,主要用來將電能轉(zhuǎn)換成機械能(振動)的電動機,超聲波換能器結(jié)構(gòu)圖如下:
換能器的孔徑,叉指寬度,間距,是換能器的重要幾何參數(shù)。這些參數(shù)不僅表征了叉指換能器的結(jié)構(gòu)特征,而且對換能器的電學(xué)和頻率特性也有著重要影響,所以是設(shè)計各種頻率超聲波振動子的重要參數(shù)。對于壓電陶瓷寬度a、指間距p和孔徑w都為常數(shù),且金屬化率η一0.5的idt,稱為均勻換能器(uniform transducer),而幾何參數(shù)a、p或w隨坐標(biāo)變化的換能器則稱為加權(quán)換能器(weighting transducer)。均勻換能器是最基本、的idt。
超聲波換能器通常根據(jù)運轉(zhuǎn)頻率和功率分級,典型超聲波換能器在20khz下可以輸出20~25tcmpp的振幅,一般由壓電體或磁力控制部件完成。大多數(shù)工業(yè)超聲波焊接設(shè)備采用壓電式換能器,因為其在共振下運轉(zhuǎn)更有效。
在壓電式系統(tǒng)中,通常采用較高電壓驅(qū)動轉(zhuǎn)換器,而較高電流驅(qū)動磁力控制轉(zhuǎn)換器。需要注意的是,轉(zhuǎn)換器的頻率決定了其功率大小。因為為了保證較高的效率(+90%),轉(zhuǎn)換器通常設(shè)計在特定頻率下共振,并且其長度為波長的一半,所以轉(zhuǎn)換器的長度是固定的。
這樣就限制了轉(zhuǎn)換器的實際尺寸,反過來限制了其表面積和轉(zhuǎn)換器可能輸出的熱盈。因此,轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部損耗會產(chǎn)生熱積累,引起調(diào)諧和應(yīng)力問題。所以隨著頻率的增大,轉(zhuǎn)換器長度減小,從而減小了熱擴散有效表面積,限制了轉(zhuǎn)換器的可能連續(xù)功率大小。