超音波振荡共振工具之研制  

深圳市恒波超声波设备有限公司 技术部团体贡献

总经理 李海东

摘  要

本研究系利用频率28kHz超音波发振器以设计各种共振振荡工具，主要完成超音波洗净振动杆、超音波焊头及超音波刀而应用于工程实务用途。

致  谢

感谢指导老师陈永增教授及声宝超音波吴山本老板的协助与指导，使本专题研究能顺利进行，并完成具体的成果。此外对于德霖技术学院机械系专题经费的支持，以及同班同学精神的鼓励，在此一并致谢。

ㄧ、前言

超音波在工业、医疗、清洗上有许多的用途，但只局限于知道它的功能，对于原理及设计并不熟悉，为了进一步了解所以我们选择了这个题目。本研究在有限的时间、经费以及人力的情况下，做出一台发振机器再配上多种振荡工具，以达到各种需求，包含熔接、洗净及切割等。

二、理论基础

2.1 超音波理论及应用

人耳听得到的声音频率是以1,000Hz为代表，频率更高，人耳就慢慢变为听不到了。例如到20kHz~100kHz的频率范围为例，已属于人耳所听不到的频率范围，利用超音波的传导、反射，我们可以探测物体或人体深部的构造。它就像一面镜子一样，忠实地反射出许多以往未知的秘密，因此博得「声音的魔镜」美誉。自然界中利用超音波最成功的首推蝙蝠，牠发出超音波并接收其回音，以做为导航及猎取食物的工具。而人类{zx0}发明实用性超音波发声装置，是在{dy}次世界大战期间用以探知潜水艇为目的。固体的振动、流体的扰流仍然会发出声音，但所发出的声音是人耳听不到的频率范围，此范围的音频声音就是属于超音波了。与电波比较，超音波在空气中的传播速度较慢，大约是340m/ sec，可算出波长是13.6mm，相当短。此波长就相当于22GHz的电波，可见超音波的传播方向性非常好。此特性为能应用超音波在量测的理由之一。

波可分为两大类，一类是机械波(mechaniacal wave)，另一类是电磁拨(electromagnetic wave)。机械波是由介质中的扰动原或振动的物体所产生，它通过介质中粒子的来回振动而传播；如:水拨、音波、超音波等。音波是由振动物体所产生的。振动物体把沿声播传方向的来回振动，迭加到传播介质粒子的任意运动上，便产生了音波。这种振动物体因振动所产生的频率(frequency)，就是音波的频率。音波的频率东常以其振动的频率和人耳可以听到的频率来区分，一般人耳可听到的频率是20Hz ~20KHz，超过20KHz以上的频率人耳听不到称为超音波。

随着时代的变迁，超音波的应用范围也逐年扩大，至今超音波不仅仅局限于探测鱼群，小到牙刷大到国防都需要超音波的加入，可想而知它的重要性。将强力超音波振动发射于气体、液体、固定中，使气体中浮游的粉体凝集沉淀，或如超音波洗净之类在液体中除去附着固体表面的污物、制造乳液、促进化学反应等，或发射于固体中，利用超音波振动进行超音波加工、熔接、切削、研磨、塑性加工等，这是超音波的动力应用。超音波在碰到物体的时候，会产生反射与折射的特性，其原理类似于雷达。 除了医疗方面的应用外，超音波也广泛的应用在民生用途中，超音波洗净技术。 超音波洗净技术的原理，是将洗净液先放入洗净槽中，再利用超音波高速振荡(每秒甚至可达2万8千次)、疏密有秩的特性，推动介质作用，使液体之分子间产生压力的交替变化，在负压的区域，液体会产生撕裂的力量，形成真空的气泡；但是当声压累积到一定程度时，气泡会持续扩张，并在正压的区域受到挤压与闭合，这种现象成为空穴效应(cavitation)。物理学常以液体中音波的受音波压开始。

有饱和倾向的点为空洞发生点，强力超音波应用上，以发生肉眼看得到的气泡时为空洞发生点，稳定发射超音波时，空洞使音场内的气泡强制振动，此时液体中发生空洞噪音，此种噪音为气泡振动，气泡破坏所致。当洗净液中无数的细小的真空气泡，在振荡过程中受压破裂时，会因为加速度而产生强大的冲击力（局部压力甚至可达数千个大气压），即可将愈清洗物品的表面与细缝死角粘附的脏污剥离，达到彻底洗净的效果。由于超音波洗净技术洗净速度快，清洁效果好、有xx效果，更不会接触或损伤物体表面，相较于其它物理清洗或化学清洗方法，有无可比拟的优越性。

我们知道超音波在工业、医疗、清洗上有许多用途，但只局限于知道，因此想做更深入的了解，所以我们选择了这个题目

，这就是我们的研究动机。

超音波运用在工业的六大功能:

熔接、埋植、铆接、点焊、成型、切除

超音波熔接原理:

　  超声波熔接装置是通过一个晶体管功能设备将当前50/60Hz的电频转变成20KHz或40KHz的电能高频电能，供应给转换器。

转换器将电能转换成用于超声波的机械振动能，调压装置负责传输转变后的机械能至超声波熔接机的焊头。

焊头是将机械振动能直接传输至需压合产品的一种声学装置。以螺纹将各种形状的喇叭，固定于锥体前端，再在喇叭前端软焊接或银焊接工具，锥体及喇叭的功能是扩大振动子

端面的振幅，振幅的分布倾向如图锥体或喇叭，

又称为振幅放大子。振动通过焊接工作件，传给粘合面振动磨擦产生热，能使塑料熔化，振动会在熔融状态物质，到达其接口时停止，短暂保持压力可以使熔化物在，粘合面固化时产生个强分子键， 整个周期通常是不到一秒钟便完成，但是其焊接强度却接近是一块连着的材料，对非铁金属，异种金属合金等，以每秒20,000次振动，使熔接面分子搓合，而牢固接合，并没有熔化，所以没有高温退火等问题产生。而同种或异种合金分子的互相搀杂，产生稳定恒久的砌合，可在极短时间内完成，是工业应用的{zx1}技术。

优点：

(1).由人机接口控制，有多种工作模式可选择，可做定能量时间补偿控制，机械设计稳定，设定校调方便。

(2).熔接时间很短，可以少于一秒内瞬间熔接完成。

(3).对工件上的温度不超过其退火温度，故不影响工作物硬度，其熔接强度比其它方式熔接更牢固，熔接口整齐清洁。

(4).焊接后其导电性良好，其电阻系数极低，近达于零。

(5).金属表面有沾污物或氧化物，不用表面处理，亦可xx焊接。

(6).几乎所有工作物不须预先处理，不需焊钖，焊油添加物就能熔接，经济方便。

(7).焊头，治具均使用耐磨材料制成，耐用性长久。

(8).熔接时不产生火花，操作员安全放心，没有烟味，不会造成空气污染。

超音波科技非常适合熔接非铁金属与磁和电镀的材料。其主要优点包括：熔接时间短、异类材料可以互熔、不需充填料、低电阻阻抗值、耐氦气的熔接效果。

超音波埋植：

以超音波超高频率的音波振动，借着焊头（HORN）的传导及适当的压力，瞬间将金属零件（如螺母、螺杆）等挤入预留的塑料孔内，并固定在设定深度。 完成后无论拉力、扭力均可媲美传统在模具内成型的强度，并可免除射出受损及射出缓慢的缺点。完成后无论拉力、扭力均可媲美传统在模具内成型的强度，并可免除射出受损及射出缓慢的缺点。

超音波铆接：

将超音波超高频率的焊头（HORN）压着塑料品突出的梢头，使其瞬间发热熔融成为铆钉形状，使金属对象被铆覆而固定。

超音波科技非常适合熔接非铁金属与磁和电镀的材料。其主要优点包括：熔接时间短、异类材料可以互熔、不需充填料、低电阻阻抗值、耐氦气的熔接效果。

超音波切削：

超音波切削的效果如下：

减少切削阻力 

作用于加工物的平面平均切削阻力减为普通切削的1/5~1/10。减低转速可简化工作母机的主轴构造。在作业上，容易加工细棒、薄肉管、易破缺的加工物，可切削无突起的端面、孔加工的弯曲少、缩短切削时间、不均度少、

加工精度高。例如长200mm而有毛口的压铸品进行普通切削时，对被切削不良的锌合金，用进刀深度0.2mm，以两顶心加工成直径5mm，若用振动数20kHz、振幅15 m的超音波切削，不需稳定扶架，可使中央的晃动在0.03mm以内。

改善切屑的送出 

超音波振动面的摩擦系数为普通面摩擦系数的1/10(0.02~0.03)，比起普通切削，因是薄切屑，单位长度的切屑重量小，可用空气式集尘机等，简化切屑集尘作业。此效果可简化饡头的深孔加工等。

行成几何学加工面粗糙度  

超音波振动得直线刃刀具、前圆刃刀具、原刃刀具所得的车削面、超音波扭取振动振动洗刀洗削面的粗糙度因切削工具的形状与其切削机构，与几何学加工面粗糙度很一致。

毛屑少

    传统的普通切削，若不再剪断面前方多少产塑性域，就无法切削加工，再加工物表面残留毛屑。超音波切屑时，毛屑发生量少，尺寸精度的不均度少，可省略滚桶、超音波毛屑除去工程，即使切削时间长些，可减轻成本，使制品安定化。

成为家供应变少的加工面

    超音波切削面的加工应变少，成为方向性少而耐磨耗性、耐蚀性优秀的加工面。

切削油剂发挥充分的润滑效果   超音波切削时，工具前斜面，与切屑之间有规则产生空隙，可对前斜面全面充份给切削油剂。

超音波是机械波的一种，需要介质才能将能量传递以纵波的形式在生物组织中行进传递，速度的快慢与组织的密度有关，固体＞液体＞气

体，它的原理大致利用压电效应(piezoelectric effect)来产生声波压电效应，(piezoelectric effect)利用电压刺激造成压晶体管的大小改变、振动进而产生超音波传递出去。

超音波洗净:

刷洗、擦拭、浸溶剂、喷洗等有时不能高效率xx，除去微细的附着物。超音波洗净的作用，是 以超过人类听觉频以上 的波动在液体中传导， 当音波在洗净剂中传播 时，由于音波是一种纵 波，纵波推动介质的作 用会使液体中压力变化 而产生无数微小真空泡 ，称之为「空洞现象」 。当汽泡受压爆破时， 会产生强大的冲激能， 可将固着在物件死角内 的污垢打散，并增强洗 净的洗净效果。由于超 音波频率高波长短，穿 透力强，因此对有隐蔽 细缝或复杂结构的清洗 物，可以达到xx洗净 的惊人效果。超音波洗净是以每秒两万八千次高速振荡在液体中传导，推动介质得作用，使液体之分子产生压力变化，造成空穴效应（cavitation），这种无数微小的真空汽泡再振荡受压迫撕裂时，发生强大冲击力，将清洗物之表面及隙缝死角之污物剥离，达到彻底洗净之功能，应用范围很广例如，餐厅餐具的洗净、医院、药厂的医药品的清洗、PH计的洗净。

利用超音波，在各种物品上除去附着的油脂、研磨剂粒子、污垢、锈等有显著的效果。

超音波洗净对洗净物传达超音波的方法下列2种:

直接洗净法: 直接超音波振动洗净物而洗净的方法

间接洗净法: 将超音波振动传到媒体界媒体振

动而洗净的方法

以第2种较为实用，也可依超音波波形的差异而分类如下:

连续波式洗净法:利用超音波周波数连续波的洗净法

振幅调变式洗净法:利用振幅调变波形超音波的洗净法

脉冲调变式洗净法:利用脉冲调变波形超音波的洗净法

周波数调变式洗净法:利用周波数调变波形超音波的洗净法为第1种最为普及市售大多也属于此型

2.2 铝合金的基本特性

铝合金质轻，铝之比重仅为钢铁之三分之一，在运输工具之轻量化上扮演重要之角色，此方面之应用如巴士车体、自行车、捷运系统车厢等。其特性如下:

耐蚀性

铝在自然环境中表面形成薄层之氧化膜可阻绝空气之氧气进一步氧化，具有优良耐蚀性，铝表面如再经各种不同之表面处理，其耐蚀性更佳，可适合室外及较恶劣之环境中使用。

强度

利用合金之添加及轧延、热处理制程可生产强度2kg/mm2~60kg/mm2不同强度等级之产品，以适用于各种不同强度要求之产品上。

加工性

铝之导热性{jj0}，故在家庭五金、冷气机

散热片、热交换器之应用方面极为广泛。

熔接性

纯铝及铝镁合金之熔接性佳，在结构及船舶之应用方面占有重要之地位。

无低温脆性

铝在超低温之状态下，无一般碳钢之低温脆性问题，可适用于低温设备、船舶等。

综合以上几点，铝合金为最适合超音波的原料。

-铝合金2024元素成分表-

三、研究目的

本研究系利用频率28kHz超音波发振器以设计各种共振振荡工具，主要完成超音波洗净振动杆、超音波焊头及超音波刀而应用于工程实务用途。

四、研究方法

超音波洗净振荡杆:

首先算出铝合金2024的λ/2，利用车床，依其所要尺寸将铝合金车出D:14mm、L:95 mm。接下来再将车好的振荡杆，攻牙尺寸是M8×1完成后，将振荡头安装在发振机器上并且，也将测频器与发振器做连接后，开始击发，频率统一目标达到28±0.5Khz才算合格。

超音波切割刀:

首先将中碳钢去做热处理850℃、恒温1，小时、空冷。在算出中碳钢的λ/2，利用车床，依其所要尺寸，将中碳钢车出D1:20mm、D2:10mm、L1:46mm、L2:46 mm，接下来再将车好的超音波刀，攻牙尺寸是M8×1完成后，将振荡头安装在发振机器上并且，也将测频器与发振器做连接后，开始击发，频率统一目标达到28±0.5Khz才算合格。但是因为材质与铝合金不同，所以需要反复的测试，尺寸只是大约方向。

超音波焊头:

除了需要热处理的条件，与尺寸D1:25mm、D2:10mm、L1:42mm、L2:37 mm有些许差异大致与超音波刀制程相同。

在车削结果尺寸，与技术指导支持老师，所提供意见整理出，经验式可将总长设定于110mm，频率过低则修短，若频率过高则加长1mm大约上升100hz此经验式有助于减少实验所花费之时间。

五、结果与讨论

超音波系统包含发振器、压电换能器及喇叭，如图1所示。本研究设计出洗凈振动杆、超音波刀及超音波焊头等三个半波长的组合构件，将它们连接于喇叭的螺纹孔中进行各项超音波振荡试验。

图1 超音波振荡装置

本研究完成之超音波焊头频率28.3KHz，符合±0.5KHz的标准频率，可应用于一般布料及不织布的焊接，其结果如图2及图3所示。 

图2  超音波焊接一般布料

图3 超音波焊接不织布

本研究完成之超音波切割刀频率28.2 KHz，符合±0.5Khz的标准频率，适用纸、布料及不织布的切割，其结果如图4及图5所示。

图4 超音波切割一般布料

本研究完成之超音波切割刀，由于刀部设计不良，使出力分散以致于所展现的切割效果不佳，若将刀部设计修正为尖矛型效果为{zj0}。

本研究完成之超音波振荡洗凈杆，频率27.9Khz，符合±0.5Khz的标准频率，在水中震荡过程中可确切产生音波空泡及流光图案，其空泡作用能使铝箔纸发生破损，而且对于对象细小裂缝污垢能作深入清洗，结果如图6所示。

图6  超音波水中振荡洗净处理

六、结论

本研究主要研制超音波刀、超音波焊头及超音波震荡洗凈杆，其方法主要利用超音波共振的原理来设计这些共振工具。本研究以成功研制完成上述共振工具，其功能已确切达成工程实务的需求，已具备工业实际应用价值。

七、参考文献

1. 陈永增、邓惠源，非破坏检测，全华图书，1999年。

2. 赖耿阳，超音波工学理论实务，复汉出版社，1999。

3. 超音波工程理论相关网站: