Cedrat Technologies, innovation in mechatronics

Schall- und Ultraschallwandler sind elektromechanische oder elektroakustische Wandler. Sie wandeln elektrische Energie in Schwingungen eines Teils des Wandlers um, der dazu dient, mechanische, akustische oder sogar thermische Energie zu erzeugen. Schallwandler arbeiten mit hörbaren Frequenzen, während Ultraschall bei 20kHz oder darüber arbeitet. Wandler sind häufig reziprok arbeitende Elemente: Die meisten Wandler können als Sensor oder Generator arbeiten unter Ausnutzung der mechanisch-elektrischen Umwandlung. Dieser Abschnitt beschäftigt sich nur mit Betätigungs- oder Emissionsarten. Die Umwandlung in solchen Wandlern basiert in der Regel auf piezoelektrischen, magnetostriktiven oder magnetischen Kräften. 

Der häufigste Ansatz besteht darin, solche Kräfte für die Erregung einer mechanischen Resonanz einzusetzen. Für die gleiche elektrische Erregung ist die Schwingung bei Resonanz die niederfrequente Schwingung multipliziert mit der mechanischen Schwingungsgröße bei Resonanz. So können eine gute Effizienz und verringerte Erregungsspannungen erreicht werden. Die Alternative besteht darin, erzwungene Schwingungen zu erzeugen. Erzwungene Schwingungen führen zu einer hohen Frequenzbandbreite und reagieren weniger empfindlich auf Lastschwankungen.

Gewöhnliche Ultraschallwandler, auch industrielle Ultraschallprozessoren genannt, sind schwingende Strukturen, die typischerweise auf 3 Halbwellenresonatoren basieren: einem Piezoumwandler, einem Booster und einer Sonotrode. Sie werden für das Ultraschallschweißen, Fräsen, Reinigen, Zerstäuben oder die Ultraschallunterstützung beim Bohren, Strangdrehen, der Homogenisierung, Filterabsaugen… verwendet. Cedrat kann Lösungen definieren, die Standardwandler einsetzen. Die kundenspezifische Anpassung wird oft dann verlangt, wenn die Sonotrode an die Last angepasst werden muss, wie unten ersichtlich.

Ein neuer Ansatz besteht darin, neue aktive Werkstoffe zu verwenden wie beispielsweise Multilayer-Piezokeramiken (MLA) oder riesige magnetostriktive Materialien (GMM). Diese werden für den Bau niederfrequenter schwingender Wandler in einer Zweimassen-Tonpilz-Struktur verwendet. Die auf vorgespannten MLA basierenden Cedrat PPAs und APA® sind wichtige Grundlagen für extrem kompakte schwingende Wandler aufgrund ihrer sehr großen dynamischen Spannung (über 1%) bei niedriger Voltzahl (<10V) wie beim Water-Tracker. Zusätzlich liefern PPAs und APA® auch große Spannungen außerhalb der Resonanz, weshalb sie für Zwangsschwingungen eingesetzt werden können, z.B. in Tribometern, Glaschneider oder Piezo-Shaker. 

Letztendlich können magnetische Aktoren in Betracht gezogen werden für niederfrequente akustische Quellen: Cedrats MICAs magnetische Aktoren sind eine interessante Alternative zu Schwingspulen aufgrund höherer Kraftdichte und 10 Mal geringerer Erhitzung. Große magnetostriktive Materialien (giant magnetostrictive materials, GMM) sind eine Alternative zu Piezos für niederfrequente Hochleistungswandler (Sonar).

Einige Beispiele finden Sie nachstehend oder in unseren entsprechenden Publikationen zuSchall- oder Ultraschallwandler.