超聲波變幅桿

超聲變幅桿是超聲波振動系統中一個重要的組成部分，它在振動系統中的主要作用是把機械振動的質點位移或速度放大，並將超聲能量集中在較小的面積上即聚能，因此也稱超聲變速桿或超聲聚能器。

超聲波變幅桿(超聲波變幅器)顧名思義就是配合超聲波換能器改變超聲波振動幅度的功能組件。其主要作用是改變換能器的振幅(一般是增大)、提高振速比、提高效率，提高機械品質因數，加強耐熱性，擴大適應溫度範圍，延長換能器的使用壽命。超聲波換能器通過安裝變幅桿(超聲波變幅器)調整了換能器與超聲波工具頭之間的負載匹配，減小了諧振阻抗，使其在諧振頻率工作提高了電聲轉換效率，有效降低了超聲波換能器的發熱量，提高使用壽命。

上世紀40年代發明的縱振指數型變幅桿，是為了高強大功率超聲波的應用。

50年代原蘇聯學者提出懸鏈線型變幅桿和多級組合變幅桿。

60年代提出了描述變幅桿形狀因數的概念，並發展了一種應力沿桿件均勻分佈的高斯型變幅桿，獲得了高位移振幅。森榮司提出振動方向變換器，開闢了用變幅桿件功率合成方法獲得高強特大功率(50KW以上)超聲的途徑。

上世紀80年代森榮司等又提出夾心彎曲換能器結構。

90年代根本佐久良雄等人則提出了夾心扭轉換能器結構。

隨後又出現了彎曲振動變幅桿和扭轉振動變幅桿，擴大了工業應用範圍。

除了以上桿件形狀外，在大功率超聲冷拔絲、管等應用中出現了等厚度或變厚度的盤形或環形聚能器；在超聲焊接、切割中又出現了大型塊狀變幅桿件。

按照振動類型，可分為縱振、扭振、彎振以及複合振動(縱彎、縱扭、彎扭)，四類。在功率超聲的加工和處理應用中，縱振型應用最為普遍。

從單一變幅桿的母線形狀來分類，又可分為階梯、指數、懸鏈線、圓錐、高斯、傅里葉、餘弦等類型，若將這些單一形狀變幅桿組合起來進行設計，則是複合型變幅桿。

按其功能來分，又可分為二分之一波長和四分之一波長兩種。雖然分類較多，但縱振、扭振和彎振變幅桿的設計都是從其相應的振動方程出發，設計過程及步驟都是一樣的。

適用範圍

超聲波變幅桿被廣泛應用於化工、石油、塑料焊接、金屬焊接、打孔、車削、清洗、機械加工等諸多領域。

二分之一波長的縱振變幅桿有以下幾種設計方案：

傳統解析法

等效電路法

替代法(機械阻抗相等法)

傳輸矩陣法

有限元法(finite element)

其他方法：變幅桿設計方法還有傳輸線法、分段趨近法、表觀彈性法等

1.

傳統解析法

2.

等效電路法

3.

替代法(機械阻抗相等法)

4.

傳輸矩陣法

5.

有限元法(finite element)

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其他方法：變幅桿設計方法還有傳輸線法、分段趨近法、表觀彈性法等

不同形狀函數變幅桿性能表達式複雜、計算工作量大, 因此有人研究開發了一些變幅桿設計計算軟體。這在一定範圍內能減輕實際設計的工作量, 但軟體設計的理論基礎還是傳統設計方法的表達式，對不同形狀的變幅桿或由此組成的複合桿，想全面將桿件的設計尺寸( 或頻率)、位移節點、放大係數、形狀因數、在桿件中的應力和位移分佈曲線同時計算並展現出來，以利於從各個性能指標中

綜合分析和選擇桿件, 還是有一定難度的。這就需要發展一種對變幅桿各參量進行計算和表達的方法。文獻 研究了對各種不同單級變幅桿的性能參量進行了統一表達的方法。該方法基於對變幅桿

兩端面上的邊界條件設置了四個任意常數，統一了變幅桿的各性能參量表達式。是通過人為設置的四個任意常數來統一的設計方法，不利於在複合桿中計算和設計。如果能用設計方法本身統一各單級變幅桿各性能參數的表達式就可以方便地設計組合複雜的複合桿，而且用統一的表達式，也能更方便更深入地研究變幅桿的聲學性質。

人提出對傳統形狀函數的變幅桿進行優化設計, 目的是在材料不變的情況下, 使放大係數更大而應力也不會集中(實際上是使形狀因數變大)。