谐振器材料


超声谐振器需要特殊材料,称为"声学材料"。

要求

根据应用的不同,以下因素在选择材料时可能很重要。

  1. 抗疲劳性。大多数超声谐振器因疲劳开裂而失效。疲劳强度高的材料可以在高应力水平(更高振幅)下运行。
  2. 低损耗。低损耗材料可以在高振幅下运行而不会产生过多热量。高损耗材料必须在较低振幅、较低占空比下运行,或加强冷却;否则,叠堆的频率可能向下漂移,直到电源无法再驱动叠堆。此外,高损耗材料会消耗本可用于预期应用的能量。
  3. 抗空化性。浸没在液体中的谐振器,如果振幅足够高,就会发生空化冲蚀。较硬的材料一般具有更好的抗空化性。详情 ……
  4. 耐磨性。与其他材料发生摩擦的谐振器可能出现磨损。较硬的材料一般具有更好的耐磨性。
  5. 抗冲击性(韧性)。嵌件植入应用需要这一性能。它不同于硬度,因为材料可能表面硬而内部软。
  6. 耐化学性。用于化学加工、需要用腐蚀性清洗剂清洗的谐振器(食品加工装置)、医疗器械(生理盐水冲洗、体液;带冲洗/冷却的牙科工具)。
  7. 屈服强度。对于冲击型应用(例如嵌件植入)以及静应力可能较高的场合(例如螺纹上),高屈服强度有助于减少变形。
  8. 弹性模量(E)的重现性。 弹性模量(它部分决定波速)在不同批次材料之间应具有重现性。否则,谐振器的调谐尺寸将不一致。这对来说是一个特别突出的问题。
  9. 热导率。 在必须最大限度传热的场合(例如在将压电陶瓷的热量导出的前驱动块中,以及在某些必须将热量从工件导出的塑料焊接应用中),热导率应高。在某些情况下,热导率应低(例如,为尽量减少从负载传递到压电陶瓷的热量)。
  10. 生物相容性。这是外科手术器械的一项要求。
  11. 可加工性。即材料加工的难易程度。
  12. 安全性。某些材料(如铍)在加工不当时会带来健康风险。
  13. 可获得性
  14. 成本

变幅杆和增幅杆用材料

下表列出了一些常用的谐振器材料及其特性。 点击材料名称可查看更多信息。

材料 特性 典型用途
抗疲劳性 -----------------------------------------------------------
损耗 -----------------------------------------------------------
抗空化性 -----------------------------------------------------------
耐磨性 -----------------------------------------------------------
抗冲击性 -----------------------------------------------------------
耐化学性 ----------------------------------------------------------- 视情况而定
屈服强度 -----------------------------------------------------------
弹性模量 E 的重现性 -----------------------------------------------------------
热导率 -----------------------------------------------------------
生物相容性 -----------------------------------------------------------
可加工性 -----------------------------------------------------------
成本 -----------------------------------------------------------
注:小孔可能难以攻丝,因为钛容易咬住丝锥。
  • 塑料焊接和金属焊接用高振幅变幅杆
  • 医用探头
  • 液体处理
  • 食品工业用变幅杆
  • 增幅杆(高增益)
抗疲劳性 -----------------------------------------------------------
损耗 -----------------------------------------------------------
抗空化性 -----------------------------------------------------------
耐磨性 -----------------------------------------------------------
抗冲击性 -----------------------------------------------------------
耐化学性 ----------------------------------------------------------- 视情况而定
屈服强度 -----------------------------------------------------------
弹性模量 E 的重现性 -----------------------------------------------------------
热导率 -----------------------------------------------------------
生物相容性 -----------------------------------------------------------
可加工性 -----------------------------------------------------------
成本 -----------------------------------------------------------
  • 变幅杆(尤其是较大的变幅杆)
  • 增幅杆(中、低增益)
  • 换能器前驱动块
工具钢
抗疲劳性 -----------------------------------------------------------
损耗 ----------------------------------------------------------- 高应力下高
抗空化性 -----------------------------------------------------------
耐磨性 -----------------------------------------------------------
抗冲击性 -----------------------------------------------------------
耐化学性 ----------------------------------------------------------- 视情况而定
屈服强度 -----------------------------------------------------------
弹性模量 E 的重现性 -----------------------------------------------------------
热导率 -----------------------------------------------------------
生物相容性 -----------------------------------------------------------
可加工性 -----------------------------------------------------------
成本 -----------------------------------------------------------
  • 嵌件植入
  • 钎焊
  • 金属焊接
不锈钢
抗疲劳性 -----------------------------------------------------------
损耗 ----------------------------------------------------------- 高应力下高
抗空化性 -----------------------------------------------------------
耐磨性 -----------------------------------------------------------
抗冲击性 -----------------------------------------------------------
耐化学性 ----------------------------------------------------------- 视情况而定
屈服强度 -----------------------------------------------------------
弹性模量 E 的重现性 -----------------------------------------------------------
热导率 -----------------------------------------------------------
生物相容性 -----------------------------------------------------------
可加工性 -----------------------------------------------------------
成本 -----------------------------------------------------------
  • 块形变幅杆,尤其是需要将端头钎焊或焊接到变幅杆上的场合
  • 某些医用探头
  • 换能器后驱动块
铜合金
  • 调谐长度明显短于大多数声学材料
  • 高损耗
  • 需要将端头焊接到变幅杆上的变幅杆
  • 换能器电极
陶瓷 脆性
  • 高温应用
  • 换能器压电陶瓷的绝缘体
Ferro-Tic 可加工碳化物
  • 承受高磨损的变幅杆
铌 (Nb)
  • 杨氏模量在 20-1200 °C 范围内保持恒定。(Eskin[1],第 299 页)因此,与其他声学材料不同,谐振器的频率在该温度范围内保持相对恒定。
  • 细杆波速约为 3460 m/sec,因此其调谐长度比大多数声学材料(约 5000 m/sec)短约 30%。
  • 熔融金属处理应用(尤其是熔融铝)
杨氏模量和密度约为钢的 3 倍。
  • 熔融金属处理应用
  • 换能器后驱动块
AlBeMet®
  • 低泊松比(0.17)和长细杆半波长(20 kHz 时为 240 mm)带来优异的振幅均匀性。
  • 昂贵

上表假定材料已经过(适当的)热处理以获得最佳性能。

注 ——

  1. 对于钛和铝,损耗近似随应力(振幅)的平方增加。对于大多数其他材料,损耗增加得明显更快。因此,虽然这些其他材料在较低振幅下可能表现尚可,但在较高振幅下其损耗可能过大。
  2. 大多数声学金属的波速接近 5000 m/sec(约 200,000 英寸/秒)。然而,铜基材料(例如黄铜)的波速明显更低,因此调谐长度更短。 某些钛合金可以选择以获得更低的波速。

换能器用材料

除上述材料外,以下材料可用作换能器的零部件。

  • 压电陶瓷
  • 铁磁材料 - 镍、Premendur
  • 电极材料 - 镍、黄铜、铜、铍铜
  • 绝缘体 - MACOR 可加工陶瓷

用于耐磨或外观的材料

除 D-gun 和碳化物外,以下材料的镀层很薄,不会影响调谐。