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第五章 結論與未來展望
5.1 結論
本研究建立了超音波振動系統在高溫下之有限元素模型，並以實 驗量測與有限元素分析相互驗證，有效預測出超音波振動系統在不同 工作溫度下之共振頻率與端面輸出之振幅。
為了將有限元素模型所預測的共振頻率與輸出振幅與實驗量測 值相比對，本研究另外設計一個簡化的加溫系統，可藉由實驗量測得 知振動情形並與模擬相比對。此加溫系統仿照熱壓機台，針對振動系 統中的振幅放大器尾端進行加熱，並將放大器端面外露以量測振幅。
但為了避免溫度傳遞至振動子使壓電片損壞，利用冷卻水在放大器另 一端進行冷卻以保持振動子與傳動子為室溫，故振動系統中放大器會 呈現有溫度梯度分佈的情形。
研究中使用有限元素軟體 ANSYS Multiphysics 建立超音波振動 系統的模型，考慮振動系統的溫度梯度，以熱傳、結構、模態、頻率 響應等分析得到系統之共振頻率與振幅等，並以實驗之量測結果驗證 之，並探討溫度與振動情形的關係。結論如下：
(1) 實驗與模擬的結果均顯示，當振動系統的溫度越高時，共振頻率 會下降，除了熱膨脹造成外形些許改變外，最主要的原因是由於
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當系統溫度產生變化時，楊氏係數也會跟著改變，也會直接導致 共振頻率改變；當系統溫度不變，但外形改變時，系統在共振時 的波長也會改變，故放大器長度越短，則頻率越高。
(2) 在量測頻寬時發現，在相同外形的系統下頻寬不變，經由換算後 得知阻尼比會隨著溫度升高導致共振頻率降低而略增；在相同溫 度時，系統外形越短則頻寬略增，故阻尼比略增。
(3) 振動系統輸出之振幅，由於實驗中頻率產生器之給定頻率範圍的 限制，無法量測到相同外形、不同溫度下之振幅，故使用有限元 素分析來預測各種情形之振幅，發現振動系統長度越長，則振幅 越大，而實驗中，雖然不同系統中可振動的溫度不一致，但也可 看出此趨勢；模擬中也可發現，當相同外形的系統在不同溫度下 作用時，溫度越高，熱膨脹使得放大器外形長度變長，故振幅也 略增。
由上述結果可發現，雖然有限元素模型中做了許多簡化及假設，
但將模擬結果與實驗結果相互比較後，可發現有限元素分析仍可預測 出相當準確的結果，如共振頻率、熱膨脹位移、振動之振幅等，驗證 了本研究所提出之有限元素模型。
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5.2 未來展望
本研究已針對不同溫度及不同長度的外形建立可靠的有限元素 模型，後續可進行的研究如下：
(1) 針對振幅放大器母材進行高溫材料試驗，取得較可靠的材料參數，
提高有限元素分析的準確性。
(2) 本研究中不同外形之振動系統會有其運作的溫度範圍，故無法確 切得知相同溫度下，不同外形之機械振動。未來可利用都普勒測 速儀(Laser Doppler Velocimetry)對超音波振動系統掃頻求得不同 頻率下的機械振動，如此一來便可分析不同外形之振動系統的振 幅響應值，不會被電子訊號產生器的搜尋範圍所侷限。
(3) 本研究為了進行實驗量測以比對模擬結果，使用了自行設計之簡 易加溫系統，並非實際工作之熱壓機台。而超音波輔助熱壓成形 於光學玻璃時，溫度必須達到玻璃轉換溫度以上，針對不同型號 的玻璃，其轉換溫度也不盡相同，為了使振動系統在不同的工作 溫度下運作，其放大器的外形也需做修改。故未來可以用此有限 元素模型，針對所需之工作溫度對振幅放大器或模具外形進行最 佳化設計，使振動系統之共振頻率符合電子訊號產生器之搜尋範 圍，並預測其輸出振幅等。
(4) 目前已驗證有限元素模型之準確性，但尚未考慮模具之影響。在
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超音波輔助玻璃熱壓系統中，會針對不同玻璃成品之需求，而有 不同的模具設計。故未來可利用此模型並加入不同的模具進行分 析，預測振動系統在熱壓機台運作時之振動情形，也可針對模具 的幾何外形進行分析，並對模具外形做最佳化設計，得到符合要 求之超音波振動系統。
(5) 由研究結果來看，加工端的端面振幅並非定值，中央的振幅會最 大。但加工端的端面振幅均勻度會影響加工的精度與品質，故未 來可針對端面的振幅均勻度進行放大器的最佳化設計，使振幅放 大器在使用上能有更好的精度與壽命。
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