Der vom Menschen hörbare Bereich der mechanischen Schwingungen liegt bei Frequenzen zwischen 1 6 Hz und 16.000 Hz. Die nichthörbaren Frequenzen unter 16 Hz werden als Infraschall und die zwischen 16.000 Hz und 10 10 Hz als Ultraschall (US) bezeichnet. Frequenzen über 10 Hz sind Hyperschall. Die Frequenz ist die Anzahl der Schwingungen innerhalb einer Sekunde.
in einer Vielzahl von Techniken wie Reinigen, Metallschweißen, spanendes Bearbeiten, Umformen, Löten, Werkstoffprüfen, Orten, Diagnostik, Therapie, Signalübertragung Usw. werden Ultraschall-Schwingungen eingesetzt. Die Ultraschallfügetechnik hat sich durch den zunehmenden Einsatz von thermoplastischen Kunststoffen innerhalb der letzten zwei Jahrzehnte zu einem wichtigen Verfahren der Verbindungstechnik entwickelt. Auf dem Gebiet der elektrischen Geräte, der Bauelemente, der Automobil- und Textilindustrie haben insbesondere das Ultraschall-Kunststoffschweißen und -nieten breite Anwendung gefunden. Entsprechend dem Anwendungsgebiet werden Ultraschall-Schweißgeräte mit Frequenzen zwischen 20 und 50 kHz verwendet
Die handelsüblichen elektro- und magnetostriktiven Schallwandler schwingen fast stets longitudinal, das bedeutet, daß die schallabstrahlende Fläche des Schwingers sinusförmig um die Ruhelage der Fläche schwingt.
Das Bild zeigt eine Longitudinalwelle. Die Ausbreitungsrichtung und die Schwingungsrichtung fallen bei der Longitudinalwelle zusammen. Der Abstand zwischen zwei gleichen Schwingungszuständen wird als λ (Lambda Länge, Wellenlänge) bezeichnet.
λ läßt sich aus folgender Gleichung errechnen:
λ = Wellenlänge; v = Schallgeschwindigkeit des Materials; f = Frequenz
Reine Longitudinalwellen treten nur in räumlich unbegrenzten Medien bzw. bei Abmessungen > λ auf. Bedingt durch die Geometrie der Energieleiter (Transformationsstück, Sonotrode) bei den Ultraschall-Geräten in der Verbindungstechnik tritt meist eine Mischform aus transversalen- und longitudinalen Schwingungen auf. Bei Transversalwellen ist die Schwingungsrichtung quer zur Fortpflanzungsrichtung.
Die Auftretende Mischform wird als Dehnungswelle bezeichnet. Im Bereich der Kompression tritt eine Verdickung und im Bereich der Expansion (größte Amplitude) tritt eine Verdünnung ein. Durch die Reflexion der vom Ultraschallwandler erzeugten Schwingungen an der schallabstrahlenden Endfläche der mechanischen Resonanzeinheit des Schwingungssystems bildet sich eine stehende Welle aus. Die Position des Schwingungsknotens (Längsamplitude Null) und des Schwingungsbauches (Längsamplitude Maximum) bleibt konstant.
Die mechanische Resonanzeinheit wird daher meist im Schwingungsknoten gelagert. Die Arbeitsfläche der Sonotrode liegt im Schwingungsbauch, also bei maximaler Längsamplitude.
Das Entstehen von unkontrollierten Biegewellen, wie hier im Bild, ist bei der Konzeption von Sonotroden zu vermeiden.