Zur Theorie der piezoelektrischen Ultraschallverbundschwinger mit praktischen Schlussfolgerungen für den Entwicklungsingenieur

Dieser Beitrag fasst die bekannten analytischen Berechnungsmethoden für piezoelektrische Ultraschallverbundschwinger zusammen und gibt anhand typischer Beispiele Anleitungen zur Lösung theoretischer und technischer Fragen bei deren Entwicklung. Zunächst werden die passiven, in der Regel metallischen Komponenten von Verbundschwingern als Stab- oder Plattensysteme mit homogen verteilten Feder-, Masse und Dämpfungseigenschaften beschrieben. Hier breitet sich die Schwingungsenergie in Form stehender und fortschreitender Wellen zum akustischen Verbraucher hin aus. Es folgt eine gleichwertige und schaltungstreue Darstellung durch elektrische oder mechanische Vierpole, die für den Entwicklungsingenieur leichter zu handhaben sind und in Netzwerken direkt mit Masons Ersatzschaltung des piezoelektrischen Wandlers gekoppelt werden können. Danach werden die wichtigsten, messtechnisch zugänglichen Parameter anhand eines in Resonanznähe zulässigen Ersatzmodells mit konzentrierten elektrischen bzw. mechanischen Komponenten definiert. Als Schwerpunkt wird anschließend deren analytische Berechnung und messtechnische Verifizierung an typischen Beispielen demonstriert. Es folgen wichtige technische Informationen über Frequenzkorrekturen, Schallgeschwindigkeitsdispersion, Leistungs- und Belastbarkeitsgrenzen der Komponenten und andere wertvolle praktische Hinweise.