Transduser ultrasonik ialah peranti yang menukar tenaga dari satu bentuk ke bentuk lain, khususnya antara tenaga elektrik dan tenaga akustik (bunyi) pada frekuensi ultrasonik—frekuensi di atas julat pendengaran manusia (biasanya di atas 20 kHz). Secara ringkasnya, ia adalah peranti yang boleh menjana dan menerima gelombang bunyi pada frekuensi yang tidak dapat didengar oleh manusia.

1. Pengelasan

Transduser ultrasonik dikategorikan berdasarkan aplikasi khusus, bahan, frekuensi, kuasa, dan bentuknya. Pengelasan umum berdasarkan aplikasi termasuk:

• Transduser Pembersihan Ultrasonik: Direka untuk menghilangkan kotoran dari permukaan menggunakan kavitasi ultrasonik.
• Transduser Kimpalan Ultrasonik: Digunakan untuk menyambung bahan dengan menggunakan getaran frekuensi tinggi, menghasilkan haba dan menyebabkan peleburan.
• Transduser Kecantikan Ultrasonik: Digunakan dalam prosedur kosmetik, seperti pembersihan kulit dan meningkatkan penembusan produk.
• Transduser Pengabut Ultrasonik: Menghasilkan kabus halus untuk pelembapan atau peranti penyedutan.
• Transduser Getaran Ultrasonik: Menggunakan getaran ultrasonik untuk pelbagai aplikasi, termasuk pemprosesan bahan dan penapisan.
• Transduser Pemecah Sel Ultrasonik: Digunakan untuk memecahkan sel dalam penyelidikan biologi dan kimia, membolehkan pembebasan kandungan intraselular.

Pendekatan pengelasan lain adalah berdasarkan bahan seramik piezoelektrik yang digunakan:

• Siri PZT4: Biasanya dicirikan oleh cip hitam.
• Siri PZT8: Biasanya dikenal pasti oleh cip kuning.

Pengelasan berdasarkan frekuensi juga biasa:

• Siri Frekuensi Rendah: Julat dari 17 hingga 23 kHz.
• Siri Frekuensi Sederhana: Dari 25 hingga 28 kHz.
• Siri Frekuensi Tinggi: Dari 33 hingga 60 kHz.
• Siri Frekuensi Sangat Tinggi: Julat dari 68 hingga 200 kHz.

Kategori berdasarkan kuasa termasuk:

• Siri 50W: Yang mungkin merangkumi transduser 60W.
• Siri 100W: Meliputi 80W dan penarafan kuasa serupa lain.
• Kuasa Tidak Konvensional Lain: Transduser dengan output kuasa bukan standard.

Akhirnya, transduser boleh dikelaskan berdasarkan bentuk fizikalnya:

• Lurus: Transduser dengan bentuk silinder atau segi empat tepat.
• Bentuk Tanduk: Transduser dengan bentuk tirus untuk menguatkan getaran ultrasonik.

2. Kaedah Penamaan

Transduser ultrasonik sering ditetapkan menggunakan gabungan huruf dan nombor yang menentukan ciri utama. Konvensyen penamaan biasa adalah seperti berikut, menggunakan contoh hipotesis dari Beijing Ultrasonic:

Contoh: BJ-18 50D-35HN PZT8

Komponen	Penerangan	Contoh
BJ	Kod Perusahaan	BJ
C	Aplikasi, “Pembersihan”	C
18	Frekuensi dalam KHz	18
50	Kuasa dalam Watt	50
D	Bilangan Seramik Piezoelektrik	D
35	Diameter Seramik Piezoelektrik	35
H	Bentuk Transduser	H
N	Ciri Khas, “Tiada Lubang”	N
PZT8	Jenis Seramik Piezoelektrik	PZT8

Kod terperinci ini membolehkan pengenalpastian tepat ciri-ciri transduser. Perhatikan bahawa konvensyen penamaan khusus boleh berbeza antara pengeluar.

3. Bagaimana Ia Berfungsi?

Fungsi teras transduser ultrasonik adalah untuk menukar tenaga antara bentuk elektrik dan akustik. Proses penukaran ini bergantung pada kesan piezoelektrik. Berikut adalah pecahannya:

Elemen Piezoelektrik: Di jantung transduser adalah elemen piezoelektrik, diperbuat daripada bahan seperti PZT (plumbum zirkonat titanat). Apabila medan elektrik ulang-alik dikenakan, bahan piezoelektrik mengembang dan mengecut.

Penjanaan Gelombang Bunyi: Pengembangan dan pengecutan elemen piezoelektrik menghasilkan gelombang tekanan mekanikal, iaitu gelombang bunyi.

Kawalan Arah: Untuk menumpukan gelombang bunyi ke arah tertentu, reka bentuk transduser adalah penting.

• Lapisan Sokongan: Lapisan ini, biasanya diperbuat daripada bahan penyerap bunyi yang padat seperti polimer berisi tungsten, menghalang bunyi daripada merambat ke arah bertentangan. Lapisan sokongan boleh direka dengan teliti dengan bentuk tertentu untuk memastikan penyerapan gelombang yang lengkap.
• Lapisan Padanan: Lapisan ini, selalunya satu atau lebih lapisan dengan impedans akustik pertengahan, diletakkan di antara elemen piezoelektrik dan medium di mana bunyi akan merambat. Ia membantu memaksimumkan pemindahan tenaga akustik dengan mengurangkan pantulan, serupa dengan salutan anti-pantulan pada kaca.

Dengan mengawal elemen-elemen ini, satu transduser menukarkan tenaga elektrik kepada gelombang bunyi ultrasonik fokus dengan cekap dan kemudian kembali kepada tenaga elektrik.

4. Proses Ikatan bagi Transduser Ultrasonik Piezoelektrik

Proses ikatan adalah kritikal untuk prestasi dan ketahanan transduser ultrasonik piezoelektrik. Berikut adalah langkah-langkah dan pertimbangan utama:

Langkah	Penerangan	Kepentingan
Pemilihan Gam	Pilih gam dengan pengecutan pemejalan rendah dan pengembangan terma rendah untuk mengurangkan tekanan pada elemen piezoelektrik. Gam epoksi (jenis A+B) biasa digunakan.	Mengurangkan tekanan dan meningkatkan kebolehpercayaan transduser.
Penyediaan Permukaan	Letuskan pasir permukaan ikatan untuk meningkatkan kekuatan lekatan. Kemudian, bersihkan permukaan dengan aseton atau alkohol.	Memastikan ikatan yang kuat antara elemen piezoelektrik dan badan transduser.
Penjajaran	Pastikan pembetulan menegak semasa mengikat dengan proses paku. Ini mengelakkan taburan tekanan tidak sekata pada elemen piezoelektrik semasa pengikatan.	Memastikan prestasi sekata daripada elemen piezoelektrik.
Pemuatan Pra-tekanan	Gunakan pra-tekanan terkawal semasa pemejalan dengan konsistensi yang tepat. Ini membantu mengekalkan ciri-ciri mekanikal dan elektrik yang dikehendaki untuk prestasi akustik terbaik.	Meningkatkan kestabilan jangka panjang dan kecekapan penukaran.
Kawalan Impedans	Laksanakan kawalan impedans semasa proses ikatan untuk meminimumkan impedans transduser dan meningkatkan penukaran elektro-akustik.	Mengoptimumkan pemindahan tenaga dan kecekapan keseluruhan transduser.
Ujian Impedans	Selepas pemejalan, lakukan ujian impedans untuk mengesahkan konsistensi dan integriti ikatan, memastikan tenaga beban sekata merentasi semua bahagian yang bersambung.	Menjamin prestasi konsisten antara transduser dan meminimumkan potensi kelemahan prestasi.
Pendawaian dan Penebatan	Gunakan wayar elektrod fleksibel dan kaedah kimpalan yang selamat dan boleh dipercayai. Kukuhkan penebatan untuk mengelakkan litar pintas elektrik.	Mengelakkan kegagalan mekanikal dan kerosakan elektrik.
Ujian Penebatan	Lakukan ujian penebatan selepas pendawaian untuk mengelakkan sebarang risiko litar pintas elektrik atau kerosakan.	Memastikan keselamatan dan kebolehpercayaan transduser.
Penyahpepijatan	Sahkan pepijat mesin dalam air panas (40-60°C) dan kekalkan suhu di bawah 80°C semasa operasi.	Meminimumkan risiko berkaitan suhu operasi tinggi.

5. Pemilihan Frekuensi

Pemilihan frekuensi operasi yang sesuai bergantung pada aplikasi khusus dan sifat bahan atau objek yang akan diproses.

Julat Frekuensi	Ciri-ciri	Aplikasi Biasa
Rendah (17-23 kHz)	Menghasilkan gelembung kavitasi yang lebih besar; lebih berkesan pada kotoran berat dan objek tahan lama.	Sektor magnetik, penyelenggaraan kenderaan, industri tekstil.
Sederhana (25-28 kHz)	Memberikan keseimbangan antara kuasa pembersihan dan kepekaan permukaan; berkesan pada kotoran sederhana.	Kebanyakan pemprosesan mekanikal, penyaduran elektrik, industri makanan.
Tinggi (33-60 kHz)	Menghasilkan gelembung kavitasi yang lebih kecil; sesuai untuk pembersihan halus bahagian dan permukaan yang halus.	Bahagian ketepatan, kaca, kanta, komponen elektronik, papan litar.
Ultra Tinggi (68-200 kHz)	Menghasilkan gelembung kavitasi terkecil dengan impak fizikal rendah dan tahap pembersihan yang sangat tinggi.	Bahan yang sangat sensitif, aplikasi mikrofluidik dan bioperubatan.

Ringkasnya, frekuensi rendah lebih baik untuk membuang bahan cemar besar, manakala frekuensi tinggi lebih sesuai untuk pembersihan tepat.

Transduser ultrasonik adalah peranti serba boleh dengan pelbagai aplikasi kerana keupayaannya menukar tenaga elektrik kepada getaran mekanikal dan sebaliknya. Memahami klasifikasi berbeza, konvensyen penamaan, prinsip kerja, proses ikatan, dan kriteria pemilihan frekuensi adalah penting untuk memilih dan menggunakan transduser yang betul bagi aplikasi tertentu. Penggunaan bahan piezoelektrik, digabungkan dengan reka bentuk tepat dan teknik ikatan, membolehkan penjanaan dan manipulasi gelombang ultrasonik yang cekap, menjadikan transduser ini sangat berharga dalam pelbagai industri.