Berechnung der Verschiebungsamplitude des Ultraschall-Leistungswandlers

1. Deine Berechnungen scheinen richtig zu sein. Ich glaube, die Dichte in Ihrer Gleichung entspricht der Dichte des Materials, durch das sich Ihre Schallwelle ausbreitet. Ihre Verwendung von Stahl zeigt an, dass Sie Schall durch eine Stahlplatte (nicht Luft) senden. Wenn dies beabsichtigt ist, sind Ihre Berechnungen korrekt.
   Sie sollten die axiale Schallgeschwindigkeit verwenden, wenn Ihr Wandler senkrecht zur Übertragungsrichtung schwingt. Dies würde beispielsweise gelten, wenn Sie einen Wandler und einen Empfänger mit parallel zueinander ausgerichteten Sendeachsen auf der gleichen Seite einer langen Platte platziert hätten. Wenn der Wandler dagegen parallel zur Übertragungsrichtung schwingt (z. B. am Ende einer Stahlstange, entlang der Stange übertragend), dann ist die Längsschallgeschwindigkeit die geeignete Geschwindigkeit. (Wenn Sie beabsichtigen, durch Luft zu übertragen, werden Scherwellen nicht unterstützt. Außerdem ist die von Ihnen verwendete Gleichung im Fall von Luft nicht vollständig anwendbar, da das emittierende Horn eher ein endlicher Körper als ein quasi unendliches Medium ist wie von der Gleichung angenommen.)

2. Der von Ihnen berechnete Wert ist angemessen. Es gibt eine Reihe von (durch Paywall blockierten) wissenschaftlichen Artikeln, die sich mit Wandleramplituden befassen. Diese Amplituden reichen von minimal nachweisbaren Werten von etwas über 1 Angström (0,1 nm) bis hin zu bruchauslösenden Amplituden von ~5 Mikron (5000 nm). Natürlich hängen diese Werte stark von der Antriebsfrequenz, der Leistung und der Geometrie des Wandlers ab. Sie sollten jedoch Vertrauen in die von Ihnen berechneten Werte haben. Ich würde hinzufügen, dass, da die Unsicherheit in Ihrer Materialdichte und Schallgeschwindigkeit etwas groß ist, auch die Unsicherheit in Ihrer Amplitude sein wird. Um diese Unsicherheit genauer widerzuspiegeln (unter Verwendung nur signifikanter Zahlen und nicht einer streng berechneten Unsicherheit), ist Ihre Amplitude ungefähr$1.7\times 10^{-5}$cm.

Bearbeiten als Antwort auf den Kommentar: Ich verstehe jetzt besser, was Sie tun. Die oben verwendete Gleichung dient zur Berechnung der Amplitude von Schallwellen, die sich durch ein einheitliches Medium mit bekannter Dichte und Steifigkeit (äquivalent bekannter Dichte und Schallgeschwindigkeit) ausbreiten. In der von Ihnen angelegten Geometrie möchten Sie die Schallgeschwindigkeit in Längsrichtung, da die Treiberachse parallel zum Horn verläuft, das der Sendekörper ist. Allerdings muss ich zugeben, dass die Verwendung eines kleinen Boosters und Horns das obige Ergebnis ungültig macht. Das Ergebnis, das Sie berechnet haben, ist die Amplitude der Schwingungen, die bei einem bekannten Kraftfluss und einer bekannten Frequenz in einem unendlichen Material angetrieben würden. Diese Art der Analyse wäre ziemlich gut geeignet, um Signale durch Träger in Brücken zu senden und Fehler zu finden, wenn Anomalien im erwarteten Ergebnis gefunden werden. In der von Ihnen beschriebenen Anordnung besteht der eigentliche Sinn des Boosters darin, diese Reaktion zu unterdrücken, indem eine ungleichmäßige Massenverteilung erzeugt wird, wodurch die Amplitude des Wandlers modifiziert wird. Wenn Sie versuchen, den erforderlichen Booster und die benötigte Sonotrode (Horn) zu berechnen, müssen Sie die Herstellerspezifikationen konsultieren, um zu erfahren, wie sie die Treiberamplitude definieren. Es scheint mir, dass Booster normalerweise auf zwei Parameter ausgelegt sind - die Verstärkung und die Frequenz. Der Wandler hingegen gibt in erster Linie Frequenz und Leistung vor. Die Amplitude hängt stark vom Rest des Systems ab, dh von der Masse des Horns, und womit auch immer der Keil in Kontakt kommt. Beim Versuch, mehr über das Thema herauszufinden, glaube ich, dass ich es gefunden habeeine Antwort auf Ihre Frage Nummer 4 , obwohl ich nicht sicher bin, wie viel es Ihnen nützen wird. Es genügt zu sagen, dass diese Art von Problemen durch die Finite-Elemente-Analyse behandelt wird, nicht durch die einfache und elegante, aber sehr begrenzte Gleichung, die Sie oben verwendet haben.