超声谐振器设计知识库Ultrasonic Resonator Design

隔振安装座

目录

  • 插图
    • 图 1. 带防转销的 O 形圈安装座（压配合设计）
    • 图 2. 带防转销的 O 形圈安装座（螺栓连接设计）
    • 图 3. Cunningham 安装座组件（美国专利 5590866）
    • 图 4. Elmore 安装座组件
    • 图 5. Polar 安装座组件

概述

在大多数应用中，必须提供某种方式将超声叠堆安装到支撑结构上。（超声清洗是一个例外，此时换能器直接连接到清洗槽壁上。）根据应用的不同，隔振安装座可以连接到换能器、增幅杆（最常见）和/或变幅杆上。支撑结构可以是某种支架（例如用于塑料焊接），也可以是外壳（例如用于手持设备）。

要求

  1. 安装座必须对超声叠堆进行声学隔离。否则，超声能量将传递到支撑结构上。
    —— 这部分能量被浪费了（无法施加到负载上）。
    —— 这部分能量会产生摩擦，可能导致支撑结构咬粘、发热（例如外壳为手持式时）或产生噪声。
  2. 安装座必须能够使叠堆的输出表面相对于负载进行合理的精确定位。
  3. 安装座必须防止在所施加载荷下出现过大的轴向或横向挠曲。

类型

安装座一般有两种类型 —— 弹性体安装座和刚性安装座。弹性体安装座利用弹性体（例如橡胶）实现隔振，最常见的弹性体形状是 O 形圈。刚性安装座采用全金属结构，用于需要高刚度（静载荷下低挠曲）和精确定位的场合。不过，刚性安装座比弹性体安装座更昂贵，且容差性较差。

O 形圈安装座

除了对超声叠堆进行声学隔离外，O 形圈还能在冲击载荷下提供缓冲。通常，在 O 形圈法兰的每一侧各安装一个 O 形圈（图 1）。只要 O 形圈法兰和外壳的公差合适，当换能器本体装配到外壳中时，O 形圈就会被轻微压缩。

（在本讨论中，"外壳"定义为包夹 O 形圈的元件。因此，举例来说，外壳可以是围绕增幅杆 O 形圈法兰的环，也可以是包覆换能器本体的组件。使用时，外壳通常以某种方式夹紧到支撑结构上。）

带防转销的超声增幅杆 O 形圈安装座（压配合设计）
图 1. 带防转销的 O 形圈安装座（压配合设计）
表 1. 图 1 的图注
零件编号 说明
12a 销孔
46 O 形圈法兰
50 后 O 形圈
52 前 O 形圈
54 内壳环
56 外壳环
58 防转销

图 1 注释 ——

  1. 内壳环（54）被压入外壳环（56）中。这将 O 形圈压紧在 O 形圈法兰（46）上。然后安装防转销（58）。
  2. 一旦装配完成，只有通过破坏销（例如钻孔或电火花加工）才能拆开外壳。因此，更换 O 形圈是不现实的。
带防转销的超声增幅杆 O 形圈安装座（螺栓连接设计）
图 2. 带防转销的 O 形圈安装座（螺栓连接设计）
表 2. 图 2 的图注
零件编号 说明
12b 销孔
46 O 形圈法兰
60 后 O 形圈
62 前 O 形圈
64 防转销
66 后壳环
68 前壳环
70 螺钉

图 2 注释 ——

  1. 后壳环（66）用螺钉（70）固定到前壳环（68）上，通常为 6 个。这将 O 形圈压紧在 O 形圈法兰（46）上。
  2. 壳环上供防转销（58）嵌入的让位槽可以在装配前用球头立铣刀加工在环上。此时必须在装配前安装防转销。或者，也可以在装配后钻通让位槽，然后再安装防转销。
  3. 这种设计便于更换 O 形圈，但加工和装配成本高于图 1 的设计。

可以有多种变型。例如，图 1 中的内环可以采用滑配合而非压配合。然后可以用卡环固定，卡环嵌入外环的内槽中。槽式 zzz。

O 形圈规格

如果 O 形圈在应用中（例如塑料焊接）会受到压缩或冲击，则必须选择具有适当抗拉强度的材料。例如，作为一类材料，聚氨酯弹性体具有较高的抗拉强度，而硅橡胶弹性体的抗拉强度相对较低（Parker (2)，第 2‑6 页）。Coenen 专利 4,647,336建议使用硬度为 90 邵氏硬度的 Viton 氟橡胶 O 形圈（第 5 页，第 5 行）。（注 —— 在许多应用中（例如塑料焊接），当压力施加到变幅杆端面上时，只有后 O 形圈受到压缩。此时，如有需要，前 O 形圈可以采用明显更低的硬度。）

选定材料后，必须确定 O 形圈的尺寸，使其能够反复承受载荷；一般来说，载荷越大，需要的 O 形圈越粗。例如，图 1 和图 2 中的换能器使用 3.5 mm 粗的 O 形圈。如果有第二个谐振器（例如增幅杆）与换能器分担载荷，则换能器的 O 形圈可以更细。

O 形圈尺寸确定后，可以调整前驱动块和外壳中 O 形圈座面的尺寸，以获得所需的配合。一般来说，这些尺寸可以与静态流体密封应用的尺寸相同（Parker (2)，第 4 节），但必须满足所需的 O 形圈静态压缩量（见下文）。当然，也可以将 O 形圈拉伸后装配，但拉伸量应限制在 5% 以内，因为由此产生的内应力会加速老化（Parker (2)，第 3‑9 页）。

注 —— 曾试用过方形"O 形圈"。这些试验表明，方形"O 形圈"在隔离外壳与换能器本体方面效果较差。这些试验的细节不详。

静态压缩

装配后，O 形圈必须受到足够的压缩，以使外壳不会绕前驱动块"晃动"。但是，如果 O 形圈压缩过度，它们会将超声能量传递到外壳上。压缩量取决于 O 形圈的硬度。此外，还应考虑压缩永久变形、温度效应、老化等因素。（参见 Parker (2)。）

Coenen 专利 4,647,336建议在使用硬度为 90 邵氏硬度的 Viton 氟橡胶 O 形圈时采用 10% 的压缩量（第 5 页，第 31 行）。（Coenen 没有说明这一压缩量是径向的、轴向的还是两者兼有。）

对于此处所示的 20 kHz 换能器（图 1 和图 2），O 形圈为 Parker 2‑230 或同等产品（标称尺寸 —— 外径 70.15 mm x 内径 63.09 mm x 截面粗 3.53 mm；Parker (2)，第 9-5 页）。每个 O 形圈与外壳之间的径向间隙标称为零（即滑配合）；这便于装配。装配后，每个 O 形圈有 11% 的轴向压缩，由于泊松效应，这也会产生一定的径向压缩。

防转

在需要外壳的场合，必须防止外壳相对于谐振器转动。这能保持超声叠堆相对于负载的正确对准（例如在塑料焊接中）。在换能器中，这还能防止电极线被扭转甚至断裂。实现这一目的有两种常用方法。

  1. 防转销。见图 1 和图 2。O 形圈法兰位于波节附近。它不需要恰好位于波节处，因为 O 形圈可以吸收一部分超声运动。
    实心销和开口销都有使用。但是，在重载荷且外壳被刚性支撑的情况下，隔振 O 形圈可能被过度压缩，销随后会与外壳上的让位孔接触。如果这种情况反复发生（如塑料焊机），尤其是在冲击条件下，销可能因疲劳而失效。在这种情况下，推荐使用 Spirol® 销，因为其抗冲击性能更优。Spirol® 销还允许更宽松的钻孔公差，并具有其他优点。
  2. 键式设计。谐振器和外壳上可以设置以小间隙配合的键（例如平面或花键）。这些结构可以允许外壳与谐振器之间有较大的轴向移动，同时仍能严格限制转动。例如，参见 Coenen 专利 4,647,336。

接地

在换能器中，可能希望将换能器本体与外壳电气接地。如果不方便采用其他接地方式（例如由于装配困难），则可以用一个导电 O 形圈替换其中一个标准 O 形圈来建立接地通路。这类 O 形圈可向 Parker Chomerics (3) 定制。如果对耐腐蚀性要求不高，可选用 CHO‑SEAL 1285（镀银铝填充）；否则，可选用 CHO‑SEAL 6502（镍铝填充）。（详情请咨询 Parker 或类似厂商。）

注意，上述基材为硅橡胶，其抗拉强度相对较差。因此，如果预期会有压缩/冲击载荷，则应只使用一个导电 O 形圈，并且应将其用作（两个中的）前 O 形圈，以使其承受的载荷最小。

刚性安装座

人们提出了许多刚性安装座设计。它们精确地连接在波节或波腹处。在某些情况下可能有两个连接位置。对于波节连接，安装座必须解耦谐振器的泊松横向运动。对于波腹连接，安装座必须解耦谐振器的纵向运动。

连接构件（代替 O 形圈）通常调谐到工作频率；它可以作弯曲振动，较少情况下作纵向振动。

在下文中，安装座以其通用名称或发明者姓名命名。

波节安装座

波节安装座旨在解耦谐振器因泊松交叉耦合而产生的横向运动；它们并非为解耦谐振器的纵向运动而设计。因此，这些安装座必须精确地定位在谐振器的波节处。否则，谐振器的部分纵向运动将传递给安装座。这带来两个难题。

  1. 波节位置可能不适合安装。例如，图 zzz 中换能器的波节位于压电陶瓷中。对于其他谐振器，波节可能位于圆角处。虽然可以重新设计谐振器以调整其波节位置，但这可能会给增益等其他设计参数带来问题。
  2. 如果要设计一系列不同增益的增幅杆，可能希望每个安装环与增幅杆输入表面的距离都相同。（仅当换能器-增幅杆组件必须适配支撑结构的某些固定约束时才需要这样做 —— 例如在塑料焊接机架中。）然而，即使所有增幅杆的后四分之一波段尺寸完全相同，其波节位置也会随增益不同而不同。这是因为，为增大增益而在前四分之一波段去除材料时，波节会变成朝前的"抛物面"；增益越大，"抛物面"的曲率越大。因此，这可能需要一些设计上的变通。
  3. 在某些情况下，隔振安装座是与增幅杆本体分离的独立零件。与一体式设计相比，这降低了材料和加工成本。如果两个零件由相同材料制成，则通常可以将它们连接起来。例如，如果两个零件都是钛，则可以通过电子束焊接连接。但是，如果安装环是钛的（为了强度和减小挠曲），而增幅杆本体是铝的，那么连接这两种异种材料就成了问题。虽然可以用销将安装环固定到增幅杆本体上，但增幅杆上的销孔最终会因冲击或弯曲载荷而扩大。当然，增幅杆本体也可以用钛制造，但这可能不利于整体系统设计（例如，如果出于更好的导热性考虑而优选铝材）。

Cunningham 安装座

Cunningham[2] 专利 5590866（1997 年）。
超声增幅杆 - Cunningham 刚性安装座组件（美国专利 5590866）
图 3. Cunningham 刚性安装座组件（美国专利 5590866）

波腹安装座

除 Elmore 安装座这一明显的例外，大多数波腹安装座依靠谐振板或圆盘（合称"梁"）来实现解耦。它们能为横向载荷提供良好的支撑，但对轴向载荷的效果较差。

Elmore 安装座

Elmore[1] 专利 2891178（1959 年）。

Polar 安装座

超声 Polar 安装座组件
图 5. Polar 安装座组件（见美国专利 5976316）