磁致伸缩式换能器的应用

磁致伸缩式换能器的特点是产生超声波的频率较低，通常在数十千赫兹范围，但能产生很大的辐射功率，可达数千瓦，而且其机械强度很大，因此在强功率超声波领域获得广泛的应用，它也能被用于小功率的超声测量或检测技术领域。本节着重介绍强功率超声波的应用实例，将有助于对磁致伸缩式换能器应用的了解。

一.强功率超声波在机械加工中的应用

强功率超声波可被用于机械加工中的车削、铣削、铇削、钻孔、开槽、刻制螺纹、漆膜划格器 http://www.qimohuageqi.com 铰孔、磨削（甚至是镜面磨削）、雕刻以及抛光、下料等等，特别是对于坚硬材料的加工（如超硬合金、硬金属、陶瓷、玻璃、宝石、钻石、铁氧体、硬质合金...）以及电子器件的微细加工，有着特殊的优势和较高的加工效率。

强功率超声波在机械加工中应用的主要方式是利用以碳化硅（SiC）、氧化铝（Al2O3）、碳化硼（B4C）以及金刚石等磨料与水或油混合制成的研磨剂施加在超声加工工具（磁致伸缩式换能器的辐射面）与被加工工件之间，超声加工工具以一定大小的静压与加工工件接触，超声振动通过工具顶端作用在磨料上，由于游离磨料的原理，被加工表面会产生微细的冲击破碎，从而可以达到加工目的。所应用的超声波振动频率通常为15-30KHz，振幅为10-150 微米，选用不同的工具端部形状和不同的运动方法，可以进行各种各样的加工，包括精度要求很高的微细加工和一些一般机械加工所难以胜任的异形加工。超声波机械加工的尺寸精度可达±0.01-0.05mm，加工表面的光洁度可达0.1-0.01 微米级，但其缺点是加工工具的制造与安装比较复杂，而且加工工具自身容易磨损，从而对加工尺寸、形状和精度有一定影响，因此在对某些类型的材料加工时，其加工速度还是相当低的。

图4.1 示出了超声波加工工具的基本结构示意图。

图4.2 示出利用强功率超声波进行机械加工的基本原理。

图4.3 示出部分超声加工的实例。

图4.1 超声波加工工具的基本结构示意图

图4.2 超声波加工的基本原理 图4.3 部分超声加工的实例

强功率超声波在机械加工中应用的另一方式，是把强功率的超声波引入普通机械加工刀具上，在切削时，刀具上获得的超声振动能量能大大减小切削阻力，从而可以明显提高切削速度。此外，由于有振动作用存在，刀具上不易产生刀瘤，工件上不易留毛刺，从而大大提高了加工精度和表面光洁度，而且可以延长刀具的寿命。在浇筑混凝土结构件时，常可以看到操作工人使用振动捣固器，在不振动时，捣杆是难以插入混凝土中的，而在振动状态下就很容易插入，这与上面所说在刀具上使用的方法在原理上是相似的。

二.强功率超声波在材料塑性变形加工中的应用在对材料进行拉制、挤压、轧制、锻造、冲压等塑性变形加工时，若把强功率超声波引入轧辊或模具上时，由于超声波的振动作用将能显著减少材料的变形抗力和材料与轧辊或模具接触面的摩擦力，亦即减少了所需的加工力，因而可以减轻设备负荷，延长轧辊或模具的寿命，起到提高产品表面光洁度、无损检测资源网加快变形速度、提高生产效率等作用。

三.强功率超声波在材料焊接中的应用

把超声振动施加到叠合在一起的两个同种类或不同种类的物体上时，两个物体间会因高频振动而摩擦发热并在一定压力下因塑性流动而形成原子结合或原子扩散，实现焊合。

超声波焊接对于其他焊接方法难以或根本无法实现的特殊焊接有着独特的优势，特别是这种焊接无明火产生，这对某些特殊场合，如火药密封、塑料焊接等是非常适合的，材料不经熔化，受热影响小，结合处不是铸态组织，因而结合强度高。此外，由于加压负荷小，材料变形也很小，而且无污染，还能对不同金属进行焊接，焊接时间很短，一般在数秒甚至零点几秒之内就完成焊接，焊接前后也无需对材料表面进行清理...等等，因此超声波焊接有着很多的优点。

超声波焊接常用的频率在60KHz 左右，其具体应用实例如：钛-铜焊接、铝-锆焊接、塑料焊接如塑料袋封口、录音磁带盒的四角封焊、塑料瓶封口、塑料壳电容器封焊、电脑软盘封焊等，在电器零件中，把金属螺纹或导电片等嵌入塑料座内，以及使用塑料铆钉的铆接（塑料铆钉在高频振动下发热变软，然后在一定压力下铆合）等等。在大规模集成电路的引线连接上也已广泛采用了超声波焊接，所用引线直径可细到30 微米甚至15 微米左右，可以实现铝丝或金丝与硅片或集成电路芯片的焊接。

四.超声波在液体中空化现象的利用

超声波在液体介质中传播时，在一定的声强下，由于高频振动有负压产生，会使液体中产生大量的小气泡（微细间隙-空化腔）。这些小气泡随声振动而强烈生长，最终会达到更强烈的闭合（破裂或称崩溃）。气泡破裂的瞬间，会产生极大的声冲击力（局部瞬态高压脉冲）作用，其压力可从数个大气压甚至达到数百个大气压，这种现象称为超声波在液体中的空化现象。我们吹肥皂泡，肥皂泡在脸附近破裂时，脸上会感受到一股冲击力，即与上述的空化现象相似。

空化现象能对液体中各种物理、化学反应或作用过程产生影响，因此可以利用这种现象，把强功率超声波引入到液体介质中去，即能获得许多应用，如：1.超声波清洗：利用超声波的振动搅拌作用和空化现象，能使被清洗物体上的污染物被迅速彻底地清除，也包括去除工件上的毛刺等，特别是对形状复杂而且有缝隙存在的器件，如工业零件、电器零件、机械式手表、餐具、医疗器械等，用一般的清洗方法是难以奏效的，而超声波清洗就显示了它的优越性，此外，超声波空化现象还具有杀菌消毒的功能，因此也被利用来进行超声波浴，即在浴池的水中通入超声波，利用超声波的振动搅拌作用和空化现象，能对人体皮肤产生按摩和杀菌消毒作用并能起到一定的治疗效果，还有如超声波洗衣机、眼镜等光学零件的超声波清洗机...等等，应该说超声波清洗功能的应用已经越来越广泛（应当注意：若把强功率超声波不适当地引入人体内时，也会因高频振动和空化现象而破坏人体内血液、体液甚至某些细胞的正常状态，从而对人体造成危害）。

2.超声波雾化：把超声波引入燃烧喷嘴处对液体燃料（如燃油）作用，可以改善燃料雾化情况，加强燃烧效率，医院的超声药液雾化机帮助病人呼吸润湿口腔...等等。

3.超声波治疗：利用经聚焦的强功率超声波束透入人体以破坏癌细胞、破碎人体内的各种结石（如肾结石、膀胱结石等）、清除牙石（超声波洁牙机、超声波牙刷），此外还能用于治疗神经痛、风湿痛、肌肉挫伤等的物理治疗...

4.超声波电镀：把超声波引入电镀液中，可以加快电镀过程和提高电镀质量。

5.超声波集尘：利用超声波的振动作用，使灰尘互相碰撞聚集凝结下沉，无损检测资源网如用于电厂或其他烟尘量大的烟囱或烟道中进行除尘、在洗煤水中回收微细煤粉等等。

6.超声波乳化：把不易融合在一起的两种液体混合均匀，如用于制造巧克力、软膏、雪花膏等水-油混合物。

7.超声波分散：使固体微粒均匀散布在载体中形成均匀的悬浮液，如用于染料的均匀化等。

8.冶炼中的超声波处理：在熔化的金属液体中引入超声波时，可使凝固后的金属结晶组织得到改善，促进冶炼过程中的脱气，释放内应力以及排渣等，从而可以明显提高金属的冶炼质量和铸件质量。

9.利用超声波促进化学反应：如加速酒类、香料、照相乳剂等的熟化过程，缩短酒类存窖期，促进啤酒及清凉饮料的发泡等等。

除了上述多种应用外，还有利用超声波加速渗碳、氰化、氮化等热处理过程，超声加热、超声干燥...等等。

综上所述，强功率超声波的应用范围非常广泛，而且其开发前景也非常可观。强功率超声波的产生，主要是采用磁致伸缩式换能器，其原因就是因为磁致伸缩换能器容易获得较大的发射声功率，而其本身的机械强度也足以承受，下面就对磁致伸缩式换能器做具体介绍。当然，目前也已经获得较多应用的大功率超声换能器是采用了压电式换能器，但多以多个换能器并联方式获取大功率，这将在后面的压电换能器章节中介绍。