一种具有共振可调性的镍钛合金朗之万（Nitinol Langevin）换能器，适用于自适应超声应用

《Ultrasonics》：A Nitinol Langevin transducer with resonance tuneability for adaptive ultrasonic applications

本研究设计并制造了采用形状记忆合金Nitinol作为端质量的Langevin超声换能器（NLT），通过电火花加工（EDM）制备无缺陷的Nitinol端部结构，并验证其温度调谐特性。实验表明，NLT在30-100℃范围内，L1模式共振频率提升超15%，L3模式提升约10%，且在40℃时表现出电压稳定性，为功率超声应用提供了可调谐解决方案。

　　
在功率超声领域，Langevin换能器因其结构对称性、高振动幅度输出及工业制造可行性，已成为医疗和材料加工应用的核心组件。传统Langevin换能器采用铅酸钛酸钡（PZT）压电堆，通过预紧螺栓固定于钛合金或不锈钢端质量之间。这类换能器在特定工作温度下通常锁定在单一共振模式（如基频纵向模式L1），难以实时调整共振频率以适应不同材料特性或工作场景需求。近年来，形状记忆合金（SMA）因其温度敏感的力学性能受到关注，但将其集成到Langevin架构中仍面临技术挑战。本文通过将镍钛诺（Nitinol）形状记忆合金作为端质量材料，成功开发出首台具备温度主动调谐功能的Langevin换能器（NLT），为功率超声设备的多功能化提供了新思路。

**材料创新与结构优化**
研究团队选用具有双相（马氏体/奥氏体）结构的Nitinol作为端质量，其弹性模量在马氏体相（室温）约为30-40 GPa，相变至奥氏体相（温度>45°C）时可跃升至70-90 GPa。这种显著的材料性能转变为换能器提供了天然调谐机制。通过电气放电加工（EDM）技术制备Nitinol端质量，解决了传统机械加工导致的材料硬化问题。实验表明，EDM加工的Nitinol端质量表面粗糙度控制在5μm以内，X射线断层扫描（CT）显示无微裂纹或缺陷，确保了结构完整性。该工艺突破了传统加工限制，使Nitinol端质量可精确加工螺纹孔等复杂结构，为预紧力调控提供了物理基础。

**动态特性与调谐机制**
NLT采用双层Langevin架构，PZT压电堆（PZ26陶瓷）与Nitinol端质量通过M8螺栓预紧。通过有限元分析模拟显示，当Nitinol体积占比达到60%时，其温度依赖的弹性模量变化可主导系统共振特性。实验测得在25-100°C范围内，L1模式共振频率提升15.2%（从12.8kHz增至14.9kHz），L3模式提升9.8%（从37.9kHz增至41.5kHz）。调谐效果主要源于Nitinol的相变特性：奥氏体相的高模量导致系统刚度增加，进而提升共振频率。值得注意的是，当温度超过55°C时，频率增速放缓，这与文献报道的Nitinol相变完成后的模量趋稳现象一致。

**制造工艺与性能验证**
采用CNC加工铜电极，通过脉冲放电技术将直径25mm、长度50mm的Nitinol棒加工成带有螺纹孔的端质量组件。该工艺优势在于：1）非接触加工减少材料应力损伤；2）通过参数优化（电弧电压60V，脉宽10μs，走丝速度0.5mm/min）可控制端质量表面粗糙度在Ra1.6μm范围内。实验显示，预紧力12Nm时，L1与L3模式阻抗谐振峰分别出现在12.8kHz和37.9kHz，与仿真预测误差小于3%。通过激光多普勒振动仪（LDV）和电感谐振分析（LIA）的联合测试，确认了Nitinol端质量对系统动态特性的主导作用。

**温度依赖性与工程应用**
在25-100°C升降温过程中，L1模式振幅呈现非线性变化：室温时最大振幅达8.7μm（50V_RMS），升温至60°C时振幅增至14.3μm，这得益于奥氏体相的高强度特性（断裂强度>1GPa）。而L3模式振幅在40°C时出现峰值（21.5μm），可能与相邻弯曲模态的耦合效应相关。阻抗谱分析表明，NLT在40°C时表现出优异的电压稳定性（阻抗波动<2%），这为实时调谐提供了可行性。通过对比不同Nitinol分布位置（S1-S5）的调谐效果，发现将奥氏体相Nitinol布置在基频L1模式的节点附近（距节点<1/4波长）可使频率调谐率提升至21.5%（表1）。

**工业应用潜力**
该NLT技术展现出三大应用优势：1）温度自适应性，适用于温差达75°C的工业环境（如热塑性复合材料加工）；2）多模式协同，通过切换L1/L3模式可覆盖20-45kHz的宽频带，满足不同材料硬度需求（如钛合金与聚氨酯）；3）主动调谐能力，结合闭环温度控制系统可实现±0.5kHz的精准频率微调，这对精密超声焊接（功率>5kW）尤为重要。实验数据表明，当Nitinol端质量温度从25°C升至100°C时，其动态阻抗变化率仅为传统PZT-Langevin换能器的1/3，显著降低驱动电源的功率波动需求。

**技术挑战与改进方向**
当前面临的主要挑战包括：1）奥氏体相稳定性问题，需开发表面镀层（如类金刚石涂层）技术以延长疲劳寿命；2）温度梯度导致的模态耦合，通过优化Nitinol分布比例（如S1+S2+S3区域占比>50%）可降低耦合效应；3）大功率工况下的热管理，建议采用铜基散热片（导热系数400W/m·K）结合相变储能材料。后续研究将聚焦于多物理场耦合建模，结合数字孪生技术实现实时动态特性优化。

该研究为功率超声设备开辟了新路径：在医疗领域，可通过体温变化（正常人体36-37°C）自动切换L1/L3模式，实现硬组织切割（>10kPa接触应力）与软组织密封的协同操作；在工业领域，适用于高温加工环境（如注塑成型模具温度80-120°C），其频率调谐范围（>15%）可适应不同材料声学特性，较传统换能器效率提升约30%。这标志着功率超声技术从被动谐振向主动智能调谐迈出了关键一步。