Ультразвуковой преобразователь — это устройство, преобразующее энергию из одной формы в другую, а именно между электрической энергией и акустической (звуковой) энергией на ультразвуковых частотах — частотах, превышающих диапазон человеческого слуха (обычно выше 20 кГц). Проще говоря, это устройство, которое может генерировать и принимать звуковые волны на частотах, которые человек не слышит.

1. Классификация

Ультразвуковые преобразователи классифицируются в зависимости от их конкретного применения, материалов, частоты, мощности и формы. Общая классификация по применению включает:

• Ультразвуковые преобразователи для очистки: Предназначены для удаления загрязнений с поверхностей с помощью ультразвуковой кавитации.
• Ультразвуковые преобразователи для сварки: Используются для соединения материалов путем приложения высокочастотных вибраций, генерирующих тепло и вызывающих сплавление.
• Ультразвуковые преобразователи для косметологии: Применяются в косметических процедурах, таких как очистка кожи и улучшение проникновения продуктов.
• Ультразвуковые преобразователи для распыления (атомайзеры): Создают мелкодисперсный туман для увлажнителей или ингаляционных устройств.
• Ультразвуковые преобразователи для вибрации: Используют ультразвуковые колебания для различных применений, включая обработку материалов и просеивание.
• Ультразвуковые преобразователи для дезинтеграции клеток: Используются для лизиса клеток в биологических и химических исследованиях, позволяя высвобождать внутриклеточное содержимое.

Другой подход к классификации основан на используемом пьезоэлектрическом керамическом материале:

• Серия PZT4: Обычно характеризуется черными чипами.
• Серия PZT8: Обычно идентифицируется по желтым чипам.

Также распространена классификация по частоте:

• Серия низкой частоты: Диапазон от 17 до 23 кГц.
• Серия средней частоты: От 25 до 28 кГц.
• Серия высокой частоты: От 33 до 60 кГц.
• Серия сверхвысокой частоты: Охватывает от 68 до 200 кГц.

Категории по мощности включают:

• Серия 50 Вт: Которая может включать преобразователи на 60 Вт.
• Серия 100 Вт: Включает преобразователи на 80 Вт и другие аналогичные номиналы мощности.
• Другая нестандартная мощность: Преобразователи с нестандартными выходными мощностями.

Наконец, преобразователи можно классифицировать по физической форме:

• Прямые: Преобразователи цилиндрической или прямоугольной формы.
• Роговидной формы: Преобразователи с конической формой для усиления ультразвуковых колебаний.

2. Методы наименования

Ультразвуковые преобразователи часто обозначаются комбинацией букв и цифр, указывающих на ключевые характеристики. Распространенное соглашение об именовании выглядит следующим образом, на примере гипотетического преобразователя от Beijing Ultrasonic:

Пример: BJ-18 50D-35HN PZT8

Компонент	Описание	Пример
BJ	Код предприятия	BJ
C	Применение, «Очистка» (Cleaning)	C
18	Частота в кГц	18
50	Мощность в ваттах	50
D	Количество пьезоэлектрических керамических элементов	D
35	Диаметр пьезоэлектрической керамики	35
H	Форма преобразователя	H
N	Особенность, «Без отверстия» (No Hole)	N
PZT8	Тип пьезоэлектрической керамики	PZT8

Этот подробный код позволяет точно идентифицировать характеристики преобразователя. Обратите внимание, что конкретные соглашения об именовании могут различаться у разных производителей.

3. Как это работает?

Основная функция ультразвукового преобразователя — преобразование энергии между электрической и акустической формами. Этот процесс преобразования основан на пьезоэлектрическом эффекте. Вот разбивка:

Пьезоэлектрический элемент: В основе преобразователя лежит пьезоэлектрический элемент, изготовленный из таких материалов, как PZT (цирконат-титанат свинца). При приложении переменного электрического поля пьезоэлектрический материал расширяется и сжимается.

Генерация звуковой волны: Расширение и сжатие пьезоэлектрического элемента создают механические волны давления, которые и являются звуковыми волнами.

Управление направленностью: Для фокусировки звуковых волн в определенном направлении критически важен дизайн преобразователя.

• Задний слой: Этот слой, обычно изготовленный из плотных звукопоглощающих материалов, таких как полимеры с добавлением вольфрама, предотвращает распространение звука в обратном направлении. Задний слой может быть тщательно спроектирован с определенной формой для обеспечения полного поглощения волн.
• Согласующий слой: Этот слой, часто состоящий из одного или нескольких слоев с промежуточным акустическим импедансом, располагается между пьезоэлектрическим элементом и средой, в которую будет распространяться звук. Он помогает максимизировать передачу акустической энергии за счет уменьшения отражений, подобно антибликовому покрытию на стекле.

Контролируя эти элементы, преобразователь эффективно преобразует электрическую энергию в сфокусированные ультразвуковые волны и обратно в электрическую энергию.

4. Процесс склеивания пьезоэлектрического ультразвукового преобразователя

Процесс склеивания имеет решающее значение для производительности и долговечности пьезоэлектрического ультразвукового преобразователя. Ниже приведены ключевые этапы и соображения:

Этап	Описание	Важность
Выбор клея	Выберите клей с низкой усадочной деформацией при отверждении и низким тепловым расширением, чтобы минимизировать напряжение на пьезоэлектрическом элементе. Обычно используются эпоксидные адгезивы (типы A+B).	Снижает напряжение и повышает надежность преобразователя.
Подготовка поверхности	Обработайте склеиваемую поверхность пескоструйной обработкой для увеличения прочности сцепления. Затем очистите поверхность ацетоном или спиртом.	Обеспечивает прочное соединение между пьезоэлектрическим элементом и корпусом преобразователя.
Выравнивание	Обеспечьте вертикальную коррекцию при склеивании с помощью гвоздевого процесса. Это предотвращает неравномерное распределение давления на пьезоэлектрический элемент во время склеивания.	Обеспечивает равномерную работу пьезоэлектрического элемента.
Приложение предварительного напряжения	Прикладывайте контролируемое предварительное напряжение во время отверждения с точной консистенцией. Это помогает сохранить желаемые механические и электрические характеристики для наилучшего акустического исполнения.	Улучшает долгосрочную стабильность и эффективность преобразования.
Контроль импеданса	Осуществляйте контроль импеданса во время процесса склеивания, чтобы минимизировать импеданс преобразователя и улучшить электроакустическое преобразование.	Оптимизирует передачу энергии и общую эффективность преобразователя.
Тестирование импеданса	После отверждения проведите тестирование импеданса для проверки однородности и целостности соединения, обеспечивая равномерное распределение энергии нагрузки по всем соединенным частям.	Гарантирует стабильную работу преобразователей и минимизирует потенциальные дефекты производительности.
Проводка и изоляция	Используйте гибкие электродные провода и надежные, безопасные методы сварки. Усильте изоляцию для предотвращения коротких замыканий.	Предотвращает механические поломки и электрические неисправности.
Тест на изоляцию	Проведите тест на изоляцию после проводки, чтобы предотвратить риск коротких замыканий или повреждений.	Обеспечивает безопасность и надежность преобразователя.
Отладка	Отлаживайте машину в горячей воде (40-60°C) и поддерживайте температуру ниже 80°C во время работы.	Минимизирует риски, связанные с высокими рабочими температурами.

5. Выбор частоты

Выбор подходящей рабочей частоты зависит от конкретного применения и характера обрабатываемых материалов или объектов.

Диапазон частот	Характеристики	Типичные области применения
Низкие (17-23 кГц)	Генерирует более крупные кавитационные пузырьки; более эффективен для сильных загрязнений и прочных объектов.	Магнитный сектор, обслуживание транспортных средств, текстильная промышленность.
Средние (25-28 кГц)	Обеспечивает баланс между очищающей способностью и чувствительностью к поверхности; эффективен для умеренных загрязнений.	Большинство механических обработок, гальванизация, пищевая промышленность.
Высокие (33-60 кГц)	Создает более мелкие кавитационные пузырьки; идеально подходит для деликатной очистки чувствительных деталей и поверхностей.	Прецизионные детали, стекло, линзы, электронные компоненты, печатные платы.
Сверхвысокие (68-200 кГц)	Создает самые мелкие кавитационные пузырьки с низким физическим воздействием и чрезвычайно высоким уровнем очистки.	Высокочувствительные материалы, микрофлюидика и биомедицинские применения.

В заключение, низкие частоты лучше подходят для удаления крупных загрязнений, в то время как высокие частоты более эффективны для прецизионной очистки.

Ультразвуковые преобразователи являются универсальными устройствами с широким спектром применения благодаря своей способности преобразовывать электрическую энергию в механические колебания и наоборот. Понимание различных классификаций, правил наименования, принципов работы, процессов склейки и критериев выбора частоты крайне важно для правильного выбора и использования преобразователя в конкретном применении. Использование пьезоэлектрических материалов в сочетании с точным проектированием и методами склейки позволяет эффективно генерировать и управлять ультразвуковыми волнами, что делает эти преобразователи незаменимыми во многих отраслях промышленности.