Ультразвуковий перетворювач – це пристрій, який перетворює енергію з однієї форми в іншу, а самі між електричною енергією та акустичною (звуковою) енергією на ультразвукових частотах — частотах, що перевищують діапазон чутності людини (зазвичай понад 20 кГц). Простіше кажучи, це пристрій, який може генерувати та приймати звукові хвилі на частотах, які люди не чують.

1. Класифікація

Ультразвукові перетворювачі класифікуються за їх специфічним застосуванням, матеріалами, частотою, потужністю та формою. Широка класифікація за застосуванням включає:

• Ультразвукові перетворювачі для чищення: Вони призначені для видалення забруднень з поверхонь за допомогою ультразвукової кавітації.
• Ультразвукові перетворювачі для зварювання: Використовуються для з’єднання матеріалів шляхом застосування високочастотних вібрацій, що генерують тепло та викликають сплавлення.
• Ультразвукові перетворювачі для краси: Застосовуються в косметичних процедурах, таких як очищення шкіри та покращення проникнення продуктів.
• Ультразвукові перетворювачі для розпилення: Створюють дрібну водяну пиль або туман для зволоження або інгаляційних пристроїв.
• Ультразвукові вібраційні перетворювачі: Використовують ультразвукові вібрації для різних застосувань, включаючи обробку матеріалів та просіювання.
• Ультразвукові перетворювачі для руйнування клітин: Використовуються для лізису клітин у біологічних та хімічних дослідженнях, що дозволяє вивільнення внутрішньоклітинного вмісту.

Інший підхід до класифікації базується на використаному п’єзоелектричному керамічному матеріалі:

• Серія PZT4: Зазвичай характеризується чорними кристалами.
• Серія PZT8: Зазвичай ідентифікується жовтими кристалами.

Також поширені класифікації за частотою:

• Серія низької частоти: Діапазон від 17 до 23 кГц.
• Серія середньої частоти: Від 25 до 28 кГц.
• Серія високої частоти: Від 33 до 60 кГц.
• Серія надвисокої частоти: Від 68 до 200 кГц.

Категорії за потужністю включають:

• Серія 50 Вт: Яка може включати перетворювачі на 60 Вт.
• Серія 100 Вт: Що охоплює 80 Вт та інші подібні номінали потужності.
• Інша нестандартна потужність: Перетворювачі з нестандартними вихідними потужностями.

Нарешті, перетворювачі можна класифікувати за їх фізичною формою:

• Прямі: Перетворювачі циліндричної або прямокутної форми.
• Форма рупора: Перетворювачі конічної форми для посилення ультразвукових вібрацій.

2. Методи найменування

Ультразвукові перетворювачі часто позначаються за допомогою комбінації літер та цифр, що визначають ключові характеристики. Поширена угода про найменування є такою, використовуючи гіпотетичний приклад від Beijing Ultrasonic:

Приклад: BJ-18 50D-35HN PZT8

Компонент	Опис	Приклад
BJ	Код підприємства	BJ
C	Застосування, “Очищення”	C
18	Частота в кГц	18
50	Потужність у Ватах	50
D	Кількість п’єзоелектричних керамічних елементів	D
35	Діаметр п’єзоелектричної кераміки	35
H	Форма перетворювача	H
N	Особлива характеристика, “Без отвору”	N
PZT8	Тип п’єзоелектричної кераміки	PZT8

Цей детальний код дозволяє точно ідентифікувати характеристики перетворювача. Зауважте, що специфічні угоди про найменування можуть відрізнятися у різних виробників.

3. Як це працює?

Основна функція ультразвукового перетворювача – перетворення енергії між електричною та акустичною формами. Цей процес перетворення базується на п’єзоелектричному ефекті. Ось розбиття:

П’єзоелектричний елемент: В основі перетворювача лежить п’єзоелектричний елемент, виготовлений з таких матеріалів, як PZT (цирконат-титанат свинцю). Коли прикладається змінне електричне поле, п’єзоелектричний матеріал розширюється і стискається.

Генерація звукової хвилі: Розширення та стискання п’єзоелектричного елемента створює механічні хвилі тиску, які є звуковими хвилями.

Контроль напрямку: Для фокусування звукових хвиль у певному напрямку, конструкція перетворювача є вирішальною.

• Шар підкладки: Цей шар, зазвичай виготовлений із щільних звукопоглинальних матеріалів, таких як полімери, наповнені вольфрамом, запобігає поширенню звуку в зворотному напрямку. Шар підкладки може бути ретельно спроектований із певними формами для забезпечення повного поглинання хвиль.
• Підлаштовуючий шар: Цей шар, часто один або кілька шарів із проміжним акустичним імпедансом, розташовується між п’єзоелектричним елементом і середовищем, у яке поширюватиметься звук. Він допомагає максимізувати передачу акустичної енергії шляхом зменшення відбиття, подібно до антиблікового покриття на склі.

Контролюючи ці елементи, перетворювач ефективно перетворює електричну енергію у сфокусовані ультразвукові звукові хвилі, а потім знову в електричну енергію.

4. Процес склеювання п’єзоелектричного ультразвукового перетворювача

Процес склеювання є критично важливим для продуктивності та довговічності п’єзоелектричного ультразвукового перетворювача. Нижче наведено ключові кроки та аспекти, які слід враховувати:

Крок	Опис	Важливість
Вибір клею	Виберіть клей з низькою усадкою при твердінні та низьким тепловим розширенням, щоб мінімізувати напруження на п’єзоелектричному елементі. Зазвичай використовуються епоксидні адгезиви (типи A+B).	Зменшує напруження та підвищує надійність перетворювача.
Підготовка поверхні	Обробіть поверхню, що склеюється, пескоструйним методом для підвищення міцності зчеплення. Потім очистіть поверхню ацетоном або спиртом.	Забезпечує міцне з’єднання між п’єзоелектричним елементом і корпусом перетворювача.
Вирівнювання	Забезпечте вертикальне вирівнювання при склеюванні за допомогою процесу з використанням цвяху. Це запобігає нерівномірному розподілу тиску на п’єзоелектричний елемент під час склеювання.	Забезпечує рівномірну роботу п’єзоелектричного елемента.
Навантаження попереднім напруженням	Застосовуйте контрольоване попереднє напруження під час твердіння з точною послідовністю. Це допомагає зберегти бажані механічні та електричні характеристики для найкращої акустичної продуктивності.	Покращує довгострокову стабільність та ефективність перетворення.
Контроль імпедансу	Застосовуйте контроль імпедансу під час процесу склеювання, щоб мінімізувати імпеданс перетворювача та покращити електроакустичне перетворення.	Оптимізує передачу енергії та загальну ефективність перетворювача.
Тестування імпедансу	Після твердіння проведіть тестування імпедансу, щоб перевірити послідовність та цілісність з’єднання, забезпечуючи рівномірне навантаження енергією всіх з’єднаних частин.	Гарантує стабільну продуктивність серед перетворювачів та мінімізує потенційні недоліки в роботі.
Проводка та ізоляція	Використовуйте гнучкі електродні дроти та надійні, безпечні методи паяння. Посильте ізоляцію, щоб запобігти коротким замиканням.	Запобігає механічним поломкам та електричним несправностям.
Тест ізоляції	Проведіть тест ізоляції після прокладання проводів, щоб запобігти ризику коротких замикань або пошкоджень.	Забезпечує безпеку та надійність перетворювача.
Налагодження	Налагоджуйте машину в гарячій воді (40-60°C) та підтримуйте температуру нижче 80°C під час роботи.	Мінімізує ризики, пов’язані з високими робочими температурами.

5. Вибір частоти

Вибір відповідної робочої частоти залежить від конкретного застосування та характеру матеріалів або об’єктів, що обробляються.

Діапазон частот	Характеристики	Типові застосування
Низька (17-23 кГц)	Створює більші кавітаційні бульбашки; ефективніша для важких забруднень та міцних об’єктів.	Магнітні сектори, технічне обслуговування транспортних засобів, текстильна промисловість.
Середня (25-28 кГц)	Забезпечує баланс між очищувальною силою та чутливістю поверхні; ефективна для помірних забруднень.	Більшість механічних обробок, гальванізація, харчова промисловість.
Висока (33-60 кГц)	Створює менші кавітаційні бульбашки; ідеальна для тонкого очищення делікатних деталей та поверхонь.	Прецизійні деталі, скло, лінзи, електронні компоненти, друковані плати.
Надзвичайно висока (68-200 кГц)	Створює найменші кавітаційні бульбашки з низьким фізичним впливом та надзвичайно високим рівнем очищення.	Високочутливі матеріали, мікрофлюїдика та біомедичні застосування.

Отже, низькі частоти краще підходять для видалення великих забруднень, тоді як вищі частоти краще підходять для прецизійного очищення.

Ультразвукові перетворювачі — це універсальні пристрої з широким спектром застосувань завдяки їхній здатності перетворювати електричну енергію на механічні коливання та навпаки. Розуміння різних класифікацій, правил найменування, принципів роботи, процесів склеювання та критеріїв вибору частоти є вирішальним для підбору та використання правильного перетворювача для конкретного застосування. Використання п’єзоелектричних матеріалів у поєднанні з точним дизайном та техніками склеювання дозволяє ефективно генерувати та керувати ультразвуковими хвилями, що робить ці перетворювачі незамінними в численних галузях промисловості.