超音波縱振動喇叭的設計

                 A、焊頭螺絲孔： 焊頭螺絲孔是為了與錐體或振動子結合，配合焊頭螺絲製做，

          亦有直接在喇叭上製做螺牙的設計，如：鋼合金或鈦合金、等材質較硬的超音

          波喇叭多有採用。頭螺絲不宜太大，同理焊頭螺絲孔的深度亦不宜太深，原則

         上以能鎖固即可，加工時需注意確實與焊頭螺絲面保持垂直，否則會因接合面

         未全面接合，致使超音波傳輸異常造成超音波損壞。

    B、焊頭螺絲面： 是與錐體或振動子的結合面，加工時應確實平整光潔，加工紋細

          緻，並應注意置放時避免碰傷影響其平整度。

    C、加工節點： 加工節點一般為喇叭高度的1/2長度（λ/4），依不同形狀、頻率

          喇叭各所不同。為了使喇叭振幅均勻、振態良好，同一喇叭的加工節點，在設

          計上可能會使其不同尺寸。

    D、溝距焊頭螺絲面尺寸：從有限原素分析的過程中發現，溝距螺絲面尺寸依喇

           叭不同幾何形狀、各種頻率喇叭會有所不同。同頻率、同幾何體的溝距焊頭螺

           絲面尺寸長度亦可能是不同的。主要是其距離尺寸會影響喇叭振幅均勻度及諧

          振。

    E、焊頭螺絲面寬度或徑面：亦稱大端，其寬度隨著增或減益設計而改變，但其最

          大寬度或徑面是有其限制，依實務經驗一般不可超過λ/4的1.2倍，超過前述尺

          寸即須開溝導波，或採取調整振幅的設計，大端設計過大非但無增益（GAIN）

          ，甚至會造成喇叭不諧振。

    F、扳手孔： 為鎖固焊頭之支力點，扳手孔不宜太大、太深，會破壞共振體的結

          構；喇叭體積愈大允許鑽較大之扳手孔，反之喇叭體積小即不宜鑽太大之扳手

          孔。另扳手孔之位置宜接近焊頭螺絲面，不宜接近節點，以避免喇叭破裂。

    G、R角： R角的設計是為接合大小端，一般同R角的超音波喇叭的設計應避免過

          大或太小，原則應依據大小端比例設計，R角半徑≒大端－小端。從有限原素

         分析的過程中發現，為使喇叭的振幅均勻及振態良好，同一喇叭之R角設計會

         是不一的，且會因增益多寡R角差異隨之變化。

    H、溝： 喇叭設計溝槽主要的原因是喇叭長度已超過λ/4，喇叭可能會有橫振波

          產生，造成喇叭無法諧振，因此需設計溝槽來予以導波，其次是增加喇叭散熱

          的表面積。喇叭設計時即決定是否需有溝槽，從有限原素分析發現喇叭長度超

          過λ/4時即需設計溝槽，否則喇叭會有振幅不均及應力集中的問題，實務上增

          益不大的喇叭允許超過λ/4的1.1﹪時，再考慮設計溝槽。

    I、溝寬度：  從有限原素分析發現溝槽寬度是影響喇叭是否諧振的重要因素之一，

         溝槽寬的大小與多數的超音波喇叭的振幅均勻度是有正相關的。喇叭的寬度超

         過λ/2時溝寬度不可太小，喇叭的長度超過λ/2時溝寬度也不可太小，因為溝

         槽寬度太小喇叭中節部分膨漲振動會受限制，無法產生良好的縱振動，致使振

         幅不均、交變應力集中，超音波喇叭諧振不佳。

    J、溝長度： 依據頻率、形狀設計溝長度，從有限原素分析發現，溝長度亦是影響

          超音波喇叭的重要因素之一。同頻率不同幾何形狀、尺寸的超音波喇叭其溝長

          度可能是不同的，且同頻率、同幾何體的溝長度亦可能是不同的，如超音波喇

          叭尺寸長度超過2.5λ時，就多需採不同溝長度的設計。

    K、壓著面：喇叭壓著面一般是依加工物尺寸設計，壓著面是喇叭與加工物的接

          觸面作用端，如加工為不規則面喇叭亦需依其形狀成型，表面需為光潔且需與

          加工物面吻合。

    L、壓著面寬度： 亦稱小端寬度，其寬度隨著增減益設計而改變。壓著面寬度亦是

          有其限制，依實務經驗一般不可超過λ/4的1.15倍，超過前述尺寸即須採保留

          壓著端尺寸，再將節點以下寬度尺寸縮小設計，否則即須設計開溝或鋸溝導波。

    M、喇叭高度：  喇叭的高度為λ/2的倍數，同為λ/2高度的喇叭依不同形狀、頻率

          喇叭各所不同，頻率愈高波長愈短喇叭高度即是愈短，反之頻率愈低波長愈長

          喇叭高度即會是愈高。

                常用的喇叭幾何形狀區分喇叭高度：

          錐喇叭高度最高，依序為指數型、階梯型，最短的是保留壓著端尺寸，再將節

          點以下寬度尺寸縮小型的喇叭設計。幾何形狀區分外，加工節點越高的喇叭會

          越高，反之則會越低。

    N、喇叭長度  喇叭的長度一般是依加工物尺寸設計，但實務上是有其限制，主要

          原因是隨著長度的增加喇叭的振幅差異會隨之擴大，再者是當喇叭超過某一長

          度時，喇叭的振態即無法有效控制，另一方面的考慮喇叭長度太長，超音波系

          統之負荷，從國外實例設計超音波喇叭（20K）長度可達8λ。

  超音波喇叭電氣檢測標準（以HORN CHECK測試為基準）

                當檢測超音波喇叭時發現檢測值高於上列標準時，表示喇叭可能有不諧振問題，或喇

        叭已破裂，需特別注意檢測，當檢視檢測條件正常喇叭測試值仍異常，應檢討喇叭幾何形

        狀是否不當，並仔細檢查喇叭是否有破裂或是其它可能的因素造成。造成喇叭不諧振除喇

        叭幾何體形狀不當外，尚包括材質不良、材料本身有暇疵（砂孔、內裂），另外材料熱處

        理方法錯誤及熱處理程序不佳等、、；加工尺寸精度不夠大小端不對稱，或焊頭螺絲面平

        整度及精緻度不夠，亦是造成不諧振的因素。因此當喇叭測試無法達到電氣測試標準時，

        即須針對可能的問題檢視分析，並採取因應對策。

         超音波喇叭不諧振及發燙的原因：

         A、超音波喇叭設計尺寸在危險尺寸範圍，而設計時未採對應設計。

                      B、超音波喇叭壓著面設計須成型而成型的尺寸落差太大。

                      C、超音波喇叭設計尺寸接近危險尺寸範圍，且又需成型。

                      D、超音波喇叭幾何形狀因成型或需閃塑膠工件遭破壞。

                      E、喇叭材料未經熱處理或熱處理不良（鋼合金材料最易發生）。

                      F、喇叭寬度或長度超過λ/4，設計上未開溝或作適當處理。

                      G、超音波喇叭有1K內接近的振動頻率存在。

                      H、喇叭製作測試過程中已遭振破裂。

        超音波喇叭振態不佳的現象：

                 A、超音波電氣特性電流、電壓值偏高。

                     B、起振不良（有兩段起振現象）或PULSE高。

                     C、測試時喇叭發燙且溫昇極為快速。

                     15KHz振態異常HORN之模態

              20KHz振態異常HORN之模態

                  20KHz全波長振態異常HORN之模態

                 超音波喇叭最常破裂處

                    上圖是以長方型體超音波喇叭為例，如是圓柱體喇叭則會有在勾扳手處破裂的狀

            況，餘破裂處幾乎相同，長方型喇叭則會有在鋸溝之底部破裂直狀況。有成型之喇叭

            破裂處較不易檢視，通常成型之喇叭會在成型有直角處或結構較差處破裂，餘破裂處

            與前述同。喇叭亦可能產生內部破裂，從外表很難檢視出來，但其現象是相同的，如

            果要確認破裂處可採用超音波探傷儀器來檢視。

              喇叭破裂後超音波系統顯示出的現象：

      1、超音波系統之電流值及電壓值會昇高。

         2、CHECK系統時可能會有異音產生。

         3、喇叭在短時間內就積熱，觸摸時會有溫熱現象。

         4、CHECK系統時振態手觸摸會感到異常振動。

         5、頻率異常下降偏離標準頻率。

             簡易檢視喇叭破裂的方法：

1、將喇叭擦拭清潔以放大鏡檢視喇叭常破裂位置。

2、將喇叭易破裂處塗抹油性溶劑，超音波發振時油性溶劑會從破裂處滲出，便於目視

      判別。 

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