增益


定义

一般而言(对于任何系统):

\begin{align} \label{eq:10501a} \textsf{Gain} = \frac{\textsf{Output}}{\textsf{Input}} \end{align}

对于超声谐振器,增益表示振幅之比:

\begin{align} \label{eq:10502a} \textsf{Gain} = \frac{\textsf{Output amplitude}}{\textsf{Input amplitude}} \end{align}

或者,有时表示速度之比:

\begin{align} \label{eq:10503a} \textsf{Gain} = \frac{\textsf{Output velocity}}{\textsf{Input velocity}} \end{align}

对于给定的谐振器,公式 \eqref{eq:10502a} 和 \eqref{eq:10503a} 给出相同的值。

除非另有说明:

  1. 所有振幅均沿主(期望)方向。
    1. 对于轴向谐振器,相关振幅为轴向振幅。
    2. 对于径向圆盘谐振器,输入振幅可能是径向的也可能是轴向的,取决于设计。输出振幅是圆盘外缘处的径向振幅。
    3. 对于弯曲谐振器,输入振幅为轴向。输出振幅为弯曲振幅。
  2. 输出振幅在端面中心测量。
  3. 输入振幅在螺柱表面中心测量。

如果说某个谐振器具有增益但未给出具体数值,则假定其增益大于 1.0(即正向增益)。(如果增益小于 1.0,则称该谐振器具有反向增益。)

理论

对于任何不受外力作用的振动系统,动量必须守恒。对于一个简单的轴向谐振器,任何横向运动都可以忽略……

对于一个半波谐振器,其阶跃恰好位于波节处,输入段和输出段均为等截面(横截面积恒定),且由单一材料制成,其理论增益就等于输入面积与输出面积之比。

\begin{align} \label{eq:10507a} {\textsf{Gain}}_{\textsf{theoretical}} = \textsf{Area ratio} \end{align}

其中 —

\begin{align} \label{eq:10508a} \textsf{Area ratio} &= \frac{\textsf{Area of input surface}}{\textsf{Area of output surface}} \end{align}

局限性

增益的定义只考虑主方向的振幅。因此,对于轴向谐振器,计算出的增益没有考虑横向运动。然而,这种横向运动对应用可能很重要。例如,许多钟形变幅杆具有可观的横向运动。这种运动对空化或消泡有帮助。然而,它对塑料焊接不利,因为它可能导致零件表面留下压痕(伴随过大的功率消耗)以及焊接不良。此外,这种横向运动还会增加显著的额外应力。因此,谐振器不能仅凭增益直接进行比较。

组合式变幅杆。

对高增益变幅杆的偏好

对于两个输出面积相同的变幅杆,可以证明增益较高的变幅杆储能较低,尽管其质量更大。(见附录 zzz。)因此,对于难以启动的大型变幅杆,高增益变幅杆更为可取。

对于给定的输出振幅,高增益变幅杆所需的输入振幅更低。这意味着变幅杆与增幅杆的连接处应力更低,在需要整修之前可以使用更长时间。这也意味着可以使用增益更低(应力更低)的增幅杆,从而增幅杆或许可以用铝而不是钛来制造。

测量

钛标准变幅杆。中间反馈换能器。

对于某些变幅杆(例如,端面带腔的钟形变幅杆),可能无法在变幅杆端面中心测量振幅。在其他情况下,可能最好在另一位置规定增益。例如,如果某个变幅杆只设计为沿其端面周边进行焊接,那么即使端面中心可以测量,最有意义的做法也是在该周边区域测量输出振幅。在这种情况下,必须指明增益测量的位置(例如 \( G_{periphery} \))。

频率的影响

估算无槽阶梯形变幅杆的增益

下列曲线图给出了 20 kHz 无槽变幅杆的近似增益,其输入段与输出段之间的过渡圆角半径为 40 mm。输入段和输出段均为等截面。曲线旁的数值为面积比。如公式 \eqref{eq:10507a} 所示,这些也是在波节处带有尖锐阶跃(无圆角)的变幅杆的理论增益。

这些曲线图适用于典型的声学材料(波速在 5000 m/sec 附近的材料 — 例如铝、钛、钢)。这些曲线图适合用于变幅杆的初步设计。但请注意,其中未考虑应力。

只要肩部长度和过渡圆角半径适当缩放,这些曲线图也适用于其他频率。

无槽圆柱形变幅杆

对于圆柱形变幅杆,\( Area~ratio \) 就是输入直径与输出直径之比。

\begin{align} \label{eq:10504a} Area~ratio &= \frac{{D_i}^2} {{D_o}^2} \end{align}

其中 —

\( D_i \) = 输入段的直径
\( D_o \) = 输出段的直径
图——无槽圆柱形超声变幅杆的(近似)增益
图 1. 无槽圆柱形变幅杆的(近似)增益

注意,峰值增益出现在肩部长度约为 50 mm 处。在该区域增益曲线相当平坦,因此肩部长度的微小变化不会显著影响增益。还要注意,由于过渡圆角半径的影响,每种设计的最大增益都小于理论增益(面积比)。

示例

假设下列条件已知 —

  1. 换能器振幅 = 20 微米
  2. 增幅杆 = 1.5:1
  3. 所需变幅杆输出 = 150 微米
  4. 变幅杆形状 = 无槽圆柱形
  5. 变幅杆输出直径 = 15 mm(按应用要求)

增幅杆的输出振幅(即变幅杆的输入振幅)为 20 微米 * 1.5 = 30 微米。由于变幅杆输出必须为 110 微米,所需的变幅杆增益为 150/30 = 5.0。从上图纵轴上增益 5.0 处开始,水平读取以找出与增益 5.0 相交的曲线点,可以得到表 1 中的组合。知道了可接受的面积比,就可以用公式 \eqref{eq:10506a} 计算输入直径 —

\begin{align} \label{eq:10506a} D_i = D_o \sqrt{Area~ratio} \end{align}

表 1. 示例
面积比 肩部长度 (mm) 所需输入直径 (mm) 备注
7.0 31 39.7 (~40) 相对较短的变幅杆
6.0 50 36.7 (~37) 中等长度的变幅杆
7.0 72 39.7 (~40) 相对较长的变幅杆

对于 6.0 的面积比,增益对肩部长度相对不敏感。例如,肩部长度在 45 mm 到 55 mm 之间时,对增益几乎没有影响。即使肩部长度为 40 mm,增益也只下降 4%;肩部长度为 60 mm 时,增益只下降 2%。这意味着,如果需要,可以在不对增益产生不利影响的情况下,通过调整肩部位置来进行一定的调谐。对于 7.0 的面积比,增益对肩部长度更为敏感。

无槽条形变幅杆

下图适用于无槽阶梯形条形变幅杆。对于不带凸肩(riser)的开槽条形变幅杆也近似适用。(凸肩一般会提高增益。)曲线旁的数值为面积比。

对于条形变幅杆(输入宽度与输出宽度相等),\( Area~ratio \) 就是输入厚度与输出厚度之比。

\begin{align} \label{eq:10505a} Area~ratio &= \frac{T_i} {T_o} \end{align}

其中 —

\( T_i \) = 输入段的厚度
\( T_o \) = 输出段的厚度
图——无槽超声条形变幅杆的(近似)增益
图 2. 无槽条形变幅杆的(近似)增益

增幅杆

增幅杆通常通过阳极氧化着色来标示其标称增益。然而,该增益可能只是标称值。以下是几家制造商使用的颜色编码 —

颜色 增益
蓝色 0.5
紫色 0.6
绿色 1.0
金色 1.5
银色 2.0
黑色 2.5