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Ultraschallwandler sind piezoelektrische Keramiken, die bei Ultraschallfrequenzen schwingen und elektrische Signale durch die piezoelektrische Wirkung des Materials in mechanische Schwingungen umwandeln. Wenn der Schwinger als Transmitter verwendet wird, führt das von der Anregungsquelle gesendete elektrische Schwingungssignal zu einer Änderung des elektrischen oder magnetischen Feldes im elektrischen Energiespeicherelement des Schwinger, wodurch das mechanische Schwingungssystem des Schwinger durch einen Effekt verändert wird. Es wird eine Antriebskraft erzeugt, die es zum Schwingen bringt und das mit dem mechanischen Schwingungssystem des Schallkopfes in Berührung geratene Medium so antreibt, dass es Schwingungen erzeugt und Schallwellen in das Medium ausstrahlt.
Geclusterte Schallköpfe können für den Antrieb eines einzelnen Ultraschallstapels verwendet werden. Im Vergleich zu einem einzelnen Messumformer mit großem Durchmesser hat jeder der kleineren Messumformer Piezokeramiken mit geringerem Durchmesser, was potenziell eine gleichmäßigere piezokeramische Vorspannung ermöglicht.
Da die Piezokeramiken kleinere Durchmesser haben, wird der radiale Wärmeleitweg für die piezokeramische Wärme kleiner sein. Dann kann die Wärme leichter an die piezokeramische Peripherie geleitet werden, so dass die piezokeramics für einen gegebenen konvektiven Luftstrom kühler bleiben sollten.
Außerdem ermöglichen kleinere Piezokeramiken eine größere periphere Fläche für die konvektive Luftkühlung. Nehmen wir beispielsweise einen vereinfachten Schallkopf, der einen einzelnen Ø50 mm x 5 mm dicken Piezokeramen verwendet. (Hier wird jede zentralpiezokeramische Bohrung ignoriert.) Das piezokeramische Volumen ist 9818 mm3 und die periphere Fläche ist 785 mm2. Nun nehmen wir an, dass dieser Schwinger mit dem einzelnen Piezokeramik durch zwei Schwinger ersetzt wird, die das gleiche Gesamtvolumen haben (auch hier wird nur ein Piezokeramic für jeden Schwinger vorausgesetzt). Mit dieser Vorgabe beträgt der erforderliche piezokeramische Durchmesser 35,4 mm und die resultierende periphere piezokeramische Gesamtfläche 1112 mm2. In diesem Beispiel erhöht die Verwendung eines dualen Aufnehmersystems die gesamte periphere piezokeramische Fläche um 42 %, was zu einer deutlich verbesserten Kühlung führen kann und somit eine höhere Leistung ermöglicht.
Ultraschallschweißen wird in verschiedenen Branchen eingesetzt, um thermoplastische Materialien miteinander zu verbinden. Beim Ultraschallschweißen werden hochfrequente mechanische Schwingungen und Druckdruck auf die Kunststoffmaterialien ausgeübt. Dadurch entsteht eine intermolekulare Reibung im Kunststoff, die die Temperatur hoch genug anhebt, um den Schmelzpunkt zu erreichen. Bei der Produktion in großen Mengen in Fertigungsumgebungen ist die am häufigsten versagt Komponente des Ultraschallschweißsystems der Schwinger, der für die Vibration verantwortlich ist. Der Wandler wandelt elektrische Energie in mechanische Energie mittels eines polarisierten piezoelektrischen PZT (Blei-Zirkonat-Titanat) polykristallinen Keramikmaterials unter Verwendung von Hochfrequenzspannung um. Der Schwinger besteht aus runden PZT-Scheiben, die mittels einer zentralen Schraube an einem Titan-bearbeiteten Körper befestigt sind. Die Schraube erzeugt eine druckfeste Vorspannung, die bei Vibrationen keine Zugspannungen innerhalb der spröden Kristalle verhindert und eine perfekte Kopplung zwischen allen Komponenten gewährleistet. Die piezoelektrischen PZT-Kristalle verhalten sich nach linear gekoppelten elektrischen und mechanischen Gleichungen. Die Schwingerbaugruppe wird nahe der parallelen Resonanzfrequenz vibriert, um die Effizienz und die Amplitudenausgabe zu maximieren.
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Hochleistungs-Ultraschallaufnehmer mit zwei parallelen Stapeln zum Schweißen
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Element |
Parameter |
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Frequenz |
14,5~15,1Khz |
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Leistung |
4200W |
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Impedanz |
14 |
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Capatance |
18000~22000pf |
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