变幅杆设计理论

变幅杆设计理论超声变幅杆又称超声变速杆、超声聚能器。在超声技术中，特别在高声强超声设备的振动系统中是很重要的。其主要作用是把机械振动的质点位移或速度放大，或者将超声能量集中在较小的面积上，即聚能作用。我们知道，超声换能器辐射面的振动幅度在20kH范围内只有几微米。而在高声强声应用中，如超声加工、超声焊接、超声金属成型（包括超声冷拔管飞丝和铆接等）和某些超声外科设备及超声疲劳试验应用中，辐射面的振动幅度一般需要几十到几百微米。因此必须在换能器的端面连接超声波变幅杆，将机械振动幅度放大。除此以外，超声波变幅杆还可以作为机械阻抗变换器，在换能器和声负载之间进行阻抗匹配，使超声能量有效地从换能器向负载传输。超声波变幅杆的性能可以用许多参数来描述。在实际应用中最常用的是：共振频率（共振长度）、放大系数、形状因数、输入力阻抗和弯曲劲度等。放大系数是指变幅杆工作在共振频率时输出端和输入端的质点位移或速度振幅的比值；形状因数是衡量变幅杆所能达到最大振动速度的指标之一，它仅与变幅杆的几何形状有关，值越大，所能达到的最大振动速度也越大。输入力阻抗定义输入端策动力与质点振动速度的复数比值。在实际应用中常常要求输入力阻抗随频率及负荷的变化要小。弯曲劲度是弯曲柔顺性的倒数。变幅杆越长，弯曲柔顺性越大，在许多实际应用中这是需要避免的。弯曲劲度也与变幅杆的几何形状有关。在超声波焊接的应用中，人们根据实际需要研究出各种类型的变幅杆。最简单也是较常用的变幅杆有：指数形，悬链线形，阶梯形和圆锥形变幅杆。这类变幅杆称为单一变幅杆。此外，为改善变幅杆的某些性能，如提高形状因数，增加放大系数等，还研究出各种组合型变幅杆，这类变幅杆由两种以上不同形状的杆组成。在实际应用中还出现一些由多个单一变幅杆级联工作的组合系统，这是另一个问题。除了上面提到的变幅杆外，在某些应用中有时还需要一些非杆形的振动振幅变换器，其形状有盘形、长方形等，我们称其为变幅器。有些变幅器不但有振动变幅的变换功能，而且还有振动方向的变换功能。