超声波塑料焊接机换能器的研究方法

发表时间:2019-08-30 08:39

换能器的内部电路系统,通常包含一个电容C0或一个电感L0的储能元件,当换能器处在发射状态时,从发射机的输出级送来一个电振荡信号,使其储能元件的电场或磁场发生变化,而借助电场或磁场的某种“力效应”,产生了一个对换能器的机械振动系统的推动力,使之进人振动状态,从而向负载介质中辐射出声波信号,这就是发射声信号的全部过程。

当换能器处在接收状态时,其能量的转换过程与上相反,首先是声场的信号—声压作用在换能器的振动面上,使其机械振动系统进入振动状态,此H寸就引起换能器的电路储能元件的电场或磁场发生相应的变化,借助于系统的某种“电效应”,就在其电路系统中产生一个相应于声信号的电动势或电流,这就是接收声信号的伞部过程。


由上述可知,超声换能器包含了电路系统、机械振动系统和声学系统,并且三者在换能器工作时,有机地结合在一起成为一个统一的整体.这样就决定了对它的研究方法是融合了电子学、力学、声学等诸方面的研究方法,并且通过电一力一声类比,使三者能够用统一的等效机电图和等效方程式,方便地对其进行深入的研究。

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对应电子学的研究方法,例如电的耦合网络、传输线、等效图和等效方程式,在超声换能器中就有机电耦合网络、机械传输线、机电等效图和机电等效方程式等.实际上超声换能器就是一个机电耦合网络。
超声换能器中的电声能量互换均是借助于电场或磁场的物理效应来实现的,而且不论是哪种类型的换能器,这种效应都包括两个方面:一个是力效应,把作用在换能器电路系统中的电流或电压转换为作用在机械振动系统的推动力的物理效应,即实现把电学量(电流、电压)转换为力学量(振速或力)的效应,例如电动力效应;另一个是电效应,把作用在换能器机械振动系统上的力或振速转换为电路系统中的应电势或应电流的物理效应,即实现把力学量(或声学量)转换为电学量的效应,如电磁感应等.所以根据各种换能器的“力效应”和“电效应”,我们就能得到它们的机电参量转换关系式(也叫机电相关方程式),这是分析研究换能器首先应建立的一组关系式。


另外,为了确定换能器的工作状态,还需求出它的机械振动系统的状态方程式和电路系统状态方程式.当这些关系式都确立之后,换能器的工作状态也就完全确定了.换能器机械系统的状态方程式(简称为机械振动方程)是换能器处于工作状态时,描述其机械振动系统的力与振速的关系式,也就是说该方程式是描写机械系统振动特性的;而电路系统的状态方程式(简称电路状态方程式)是描述电路系统振动特性的,即具体描述电路系统中的信号电压与信号电流间的关系,由于换能器的机械系统和电路系统是相互耦合的,所以机械系统的振动会影响到电路的特性,而电路的变化也会影响到机械系统的振动,因此我们总是利用这些方程组来分析讨论换能器的工作特性。

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由上述换能器的三组基本关系式,可以对应地做出换能器三种形式的等效图,第一种是等效机械图,即将换能器等效为一个纯机械系统的等效图;第二种是把机械的元件和参量,通过机电转换化为电路的元件和参量,即把一个换能器等效为一个纯电路系统,称此为等效电路图;第三种称为等效机电图,是同时包含电路和机械的等效图,利用这些等效图可以方便地求出若干换能器的重要性能指标。
上面只简略地谈厂对换能器的分析研究方法,至于如何推导三组基本方程、建立等效图和计算换能器的一系列的工作特性指标,将在以后详细讨论。
前面已经提到换能器本身是一个机电耦合网络,为了更好地理解它,我们可把它同变压器的若干方面做一简要的比较。

一般说来,换能器总是要求被在相同频率下进行能量互换,而变压器也是在同~频率下实现低压电振荡能与高压电振荡能之间互换的,两者的不同之处在于,变压器是通过磁耦合来实现电振荡能的互换,而换能器是通过机电耦合系统来实现机电声能量互换.

变压器的初级电压通过磁路使次级有一电压,相当于换能器中,机械一边通过机电耦合给电路一边一个电压或电流,或电路一边通过机电耦合给机械一边一个推动力或振速.所以如同变压器的次级与初级有一电压(或电流)的转换关系式一样,换能器中电路一边与机械一边也有一转换关系式。

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描述变压器能量传输时,有三个关系式:①初级电路关系式;②次级电路关系式;③初级与次级间的转换关系式.如前所述,在研究换能器的能量转换与传输时也需要三组基本方程式:①机械振动方程式;②电路状态方程式;③机电转换关系式,另外在研究变压器时常把初级元件反映到次级一边建立次级等效电路图或把次级元件反映到初级建立初级的等效电路图,这与超声换能器的“等效机械图”、“等效电路图”也是相对应的。


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