第31卷第3期陕西师范大学学报(自然科学版)Vol.31No.3 2003年9月Journal of Shaanx i Nor mal University(Natural Science Edition)Sep.2003
文章编号:1001-3857(2003)03-0032-08
弯曲振动超声换能器的振动特性及
辐射声场研究
林书玉
(陕西师范大学应用声学研究所,陕西西安710062)
摘要:对弯曲振动气介式超声换能器的振动特性及辐射声场进行了研究.该换能器
由中心激励的弯曲振动圆盘及纵向振动夹心式压电陶瓷换能器组成.对圆板的轴对
称弯曲振动进行了分析,得出了边界简支薄圆板的共振频率方程,推出了夹心式换能
器与弯曲圆盘复合振子的机电等效电路及总体频率方程,并求出了其辐射远场声压
分布指向性的解析表达式及换能器辐射近场的三维声压分布.结果表明,弯曲圆盘换
能器的近场声压分布同样具有指向性,且主要分布在与换能器横向尺寸相同的空间
内.对于弯曲振动圆板不同振动模式,等效电路参数及声场分布和指向性不同.
关键词:气介超声换能器;共振频率;弯曲振动;辐射声场
中图分类号:O426.1文献标识码:A
超声在气体中的应用主要有两个方面:第一,气体中的超声无损检测[1,2],如测距、报警、测厚以及料位检控等;第二,功率超声在气体中的应用,如除尘、干燥、声悬浮以及超声凝聚等[3,4].对于气介式大功率超声换能器,由于换能器声阻抗与气体声阻抗相差甚远,因而存在严重的阻抗失配问题.对于由纵向振动夹心式换能器与弯曲振动薄圆板组成的复合式换能器,由于具有纵向振动换能器的高效大功率以及弯曲振动圆盘的低辐射阻抗、大辐射面积等特点,在超声空气探测及大功率气介超声领域中获得了广泛的应用.
本文对弯曲振动气介式复合超声换能器的振动特性进行研究,得出弯曲圆盘辐射器在简支边界条件下的共振频率设计方程及其等效质量,并研究其等效电路及其整体共振频率方程.同时对圆盘辐射器辐射声场进行探讨,得出其近场的三维声压分布及远场指向性.
1弯曲振动气介超声换能器的机电等效电路和共振频率方程
图1为弯曲振动气介式超声换能器的几何示意图.由于弯曲振动圆盘是由夹心式纵向振动换能器激励,因此可以用在较大功率的超声应用中.如果将夹心式换能器换为径向振动的压电陶瓷薄圆盘,则主要应用在小信号的超声测量及检测中.弯曲振动的圆盘向空气中辐射声波,从而实现不同的应用.圆盘的支撑方式不同,即边界条件不同,弯曲振动圆盘的共振频率、振动模式及声场分布将不同.本文研究的是边界处于简支状态的圆板.如图1所示,h和a分
收稿日期:2003-04-09
基金项目:国家自然科学基金资助项目(10274046)
作者简介:林书玉(1963)),男,山东莱州人,陕西师范大学教授,博士研究生导师
图1 弯曲振动气介式超声换能器的几何示意图F ig.1 Geometrical diagram of an air -coupled transducer 别为圆板的高度和半径.为了简化分析,在下面的讨论中,
假设圆板的高度远小于其直径,且横向位移很小,即限于圆
形薄板的小扰度弯曲振动.
111 边界简支弯曲振动圆形薄板的共振频率方程
根据薄板的弯曲振动理论[5~7],对于圆形薄板,最低阶
轴对称弯曲振动的位移分布可以表示为
y (Q ,t)=[AJ 0(k Q )+BI 0(k Q )]exp (j X t ).(1)
其中J 0(k Q )为第一类零阶贝塞耳函数,I 0(k Q )为第一类零
阶变型贝塞耳函数,k 4=Q v h X 2/D ,D =Eh 3/12(1-R 2),
D 为板的弯曲刚度,Q v 为板体密度,R 为泊松系数,X 为角
频率,A 和B 为待定常数.对于简支边界条件,在边界Q =a
处,振动位移和弯矩等于零.利用(1)式,可得以下两式:
AJ 0(ka)+BI 0(ka)=0,(2)
-A [R J 1(ka)/a +k J 0(ka)-J 1(ka)/a]+B [R I 1(ka)/a +kI 0(ka)-I 1(ka)/a]=0.(3)
由上述两式可以得出边界简支圆形薄板弯曲振动的共振频率方程: J 0(ka)I 1(ka)+I 0(ka)J 1(ka )=2kaJ 0(ka )I 0(ka )/(1-R ).(4)
令频率方程的根为R (n ),其解可表示为 k n a =R (n ),
(5)其中n 为正整数,表示圆板弯曲振动的振动阶次.另外,对于不同的材料,频率方程的根不同,而且依赖于材料的泊松系数.对于普通钢,泊松系数R =0.28.由(4)式可得其前六阶本征振动的根为R (n)=2.21482,5.44949,8.61012,11.76000,14.90620,18.05070.利用频率方程的根可以求出弯曲振动圆盘的共振频率为
f n =R 2(n )h 2P a 2E 12Q v (1-R 2)
, n =1,2,3,,.(6)对于弯曲振动圆板的第n 阶振动,其本征函数为
y n (Q ,t)=[A n J 0(k n Q )+B n I 0(k n Q )]exp (j X n t),
(7)由此可得边界简支弯曲振动圆板的横向振动位移为
y (Q ,t)=E ]n=1[A n J 0(k n Q )+B n I 0(k n Q )]exp (j X n t ).(8)
112 边界简支弯曲振动圆盘的等效集中参数和机电等效电路
对于中心激励的弯曲振动圆盘应用等效集中参数的概念是比较方便的.根据(7)式,可以得出第n 阶弯曲振动圆盘的动能为
E n =-PQ v h X 2ex p (2j X n t )Q a 0[A 2n J 20(k n Q )+B 2n I 20(k n Q )+
2A n B n J 0(k n Q )I 0(k n Q )]Q d Q .
(9)利用贝塞耳函数的积分关系式,积分上式可得
E n =-P a 2Q v h X 2n exp (2j X n t)A 2n [J 21(k n a)/2-J 20(k n a)I 21(k n a)/2I 20(k n a )
第3期林书玉:弯曲振动超声换能器的振动特性及辐射声场研究33
-J 20(k n a)(1+R )/(1-R )].
(10)利用(7)式,可以得出弯曲振动圆盘中心处的振动速度为
v n =(A n +B n )j X n exp (j X n t ).(11)把圆盘的中心作为参考点,弯曲振动圆盘第n 阶本征振动的动能还可表示成如下形式: E c n =-(1/2)M n (A n +B n )2X 2n ex p (2j X n t ),
(12)式中M n 表示弯曲振动圆盘的等效质量.利用(10)和(12)式,可以得出第n 阶弯曲振动圆盘的等效质量为
M n =m J 21(k n a)I 20(k n a)-J 20(k n a)I 21(k n a )-2J 20(k n a)I 20(k n a)(1+R )/(1-R )[I 0(k n a)-J 0(k n a)]2
,(13)其中m =P a 2Q v h,为圆板的质量.令圆板的等效顺性系数为C n ,可得以下公式:
C n =1/X 2n M n .(14)式中X n =2P f n ,f n 为弯曲振动圆板第n 阶振动的共振频率,可由上面的频率方程得出.很显然,对于圆盘不同的弯曲振动阶次,其共振频率、等效质量和等效顺性系数是不同的.由上述分析可以得出弯曲振动圆板的等效机械阻抗为
Z n =j X n =j (X n M n -1/X n C n ).(15)如果在圆板的中心有一个驱动力F =F A exp (j X t ),则对于第n 阶振动,其振动速度为 v n =F A ex p (j X t)/Z n .(16)利用(8)式,可求出圆板总的弯曲振动速度为
v =E ]n =1v n =F A exp (j X t)E ]n=11/Z n .(17)
由此可以得出弯曲振动圆盘的机电等效电路如图2a 所示,由图2可以得出弯曲振动圆盘的等效机械阻抗为
Z i =j X i =1/Y i =1/(E ]n =1Y n ).(18)
上式Y i 为总的等效导纳,Y n 为第n 阶本征振动的等效导纳.当驱动力的角频率接近于第n 阶本征振动的固有频率X n 时,Z n y 0,Y n y ].在这种情况下,板的其他振动模式对应的机械阻抗都很大,即在图2a 中,除了第n 阶弯曲振动对应的支路外,其他支路都可以看成开路的.
对
图2 弯曲振动圆盘的等效电路图
Fig.2 Equivalent circuit of a circular plate in flexural vibration
a.等效电路;
b.简化等效电路
应板的第n 阶弯曲振动,其等效电路可简化为图2b 所示,其输入机械阻抗为
Z i =1/Y i =1/Y n =Z n .(19)
34
陕西师范大学学报(自然科学版)第31卷
在上面的分析中,忽略了板的材料损耗.因此当板处于共振状态时,其振动速度可达到无限大.在实际情况下,材料总是有损耗的,因而其振动速度也是有限的.
利用上面的分析,可以得出由纵向振动夹心式换能器和弯曲振动圆盘组成的复合换能器的机电等效电路如图3所示,图中R 0和C 0是夹心式纵向换能器的介电损耗阻抗和钳定电容,R e ,C e 和M e 为纵向换能器的等效机械损耗阻抗、等效弹性常数和等效质量.M n ,C n 和R n 为图3 模式转换型弯曲振动气介超声换能器的机电等效电路
Fig.3 Equivalent circuit of an air -
coupled transducer consisting of a lo ngitudinal sandw ich vibrator and
a circular flexural plate 弯曲振动圆盘的集中参数等效质量、等效弹性系数和
等效机械损耗阻抗.由于忽略了圆盘弯曲振动的机械
损耗,因此R n =0.在实际情况下,振动系统的机械损
耗并不为零,而且与系统的振动幅度有关.关于系统机
械损耗的研究是比较复杂的,在实际设计时,机械损耗
通常是通过实验测量而得到.图中Z a 表示弯曲圆盘的
辐射阻抗,可由下式表示:
Z a =R a +j X a ,(20)
其中R a 是圆盘弯曲振动的辐射阻,它决定了圆盘的声辐射能力的大小和辐射功率的多少.X a 为辐射阻抗,它反映了负载对弯曲振动圆盘的反作用.辐射阻抗X a 主要对系统的振动频率产生影响.由图3可以得出气
介式弯曲振动复合换能器的共振频率方程为
X a +X (M e +M n )-C e +C n X C e C n
=0.(21)从原则上讲,利用上式就可以对由纵向振子与弯曲振动圆盘组成的复合换能器的共振频率及几何尺寸加以设计.然而从实际的角度来考虑,这一设计过程非常复杂,有时甚至是不可能的,原因是换能器的负载阻抗极为复杂.鉴于上述因素,在换能器的实际设计过程中,基本上都忽略负载阻抗的影响,而把系统作为空载加以考虑.在这一情况下,弯曲振动薄圆盘的共振频率方程可简化为以下形式:
X (M e +M n )-C e +C n X C e C n
=0
.图4 弯曲振动圆盘辐射声场的计算F ig.4 Diag ram for calculating acoustic field 2 弯曲振动圆盘换能器的辐射声场
假设把弯曲振动圆盘放置在一个无限大的刚性平板之
中,选择的坐标系统如图4所示.利用瑞利积分原理,声场
中任意点P 处的声压可以看成是无数个小点源声场的叠
加,点源的面积为d S ,强度为d Q =u A d S ,该微小点源在
观察点P 处产生的声压为 d p =j k 0Q 0c 02P H u A
d S exp [j (X t -k 0H )].(22)式中k 0=X /c 0,c 0表示空气中的传播速度,Q 0为空气的密
度,H 表示点源与观察点之间的距离.整个弯曲振动圆盘在观察点所产生的声压为 第3期林书玉:弯曲振动超声换能器的振动特性及辐射声场研究35
p (r ,H ,t)=k s j k 0Q 0c 02P H u A ex p [j (X t -k 0H )]d S.(23)
其中S =P a 2,d S =Q d Q d U ,u A 表示圆板的振动速度幅值,可以表示为下面的形式:
u A (Q )=j X [AJ 0(k Q )+BI 0(k Q )].
(24)由此可得弯曲振动圆盘的辐射声压计算公式为
Q (r ,H ,t)=-k s k 0Q 0C 0X 2P H
[AJ 0(k Q )+BI 0(k Q )]exp [j (X t -k 0H )]d S. (25)
在下面的分析中,将利用此式对换能器的辐射远场和近场进行探讨.
211 弯曲圆盘辐射器的近场声压分布
按照传统的定义,换能器的辐射声场分为近场和远场.区分近场和远场的距离称为临界距离,其定义式为
d c =a 2/K .(26)式中a 为弯曲振动圆板的半径,K =c 0/f 为空气中的声波波长,f 为辐射声波的频率,即弯曲振动圆板的共振频率.可以看出,临界距离不仅与辐射器的几何形状和尺寸有关,而且与板的振动模式和阶次、板的振动频率以及周围的介质有关.例如,当弯曲振动圆盘的几何尺寸及周围介质一定时,对应不同的振动阶次,板的共振频率和位移分布不同,其临界距离也不相同.
为了对弯曲振动气介式超声换能器的辐射声场有一个全面的了解,本文利用数值方法对边界简支弯曲振动圆形辐射器的近场声压分布进行了分析,得出了弯曲振动气介换能器的三维近场声压分布.图5a 及图5b 是一阶弯曲振动换能器的三维近场声压分布图.图6a 及图6b 是二阶弯曲振动换能器的近场声压分布图.图中x ,y 表示两个直角坐标轴,z 轴表示声压的相对大小.换能器辐射圆板的材料为钢,材料参数为c l =E /Q v =5000(m/s),c l 表示细长棒中的纵波速度.材料的泊松系数R =0.28,其几何尺寸为h =0.003m ,a =0.02m ,频率方程
的前两个根为R (1)=2.21482,R (2)=5
.44490.a b
图5 气介式换能器一阶弯曲振动三维近场声压分布图(n =1,f =8803.72Hz ).
Fig.5 T hr ee -dimensional acoustic pressure distr ibution in near field o f
transducer in first flexural vibration order
a .d /d c =0.097;
b .d/d
c =0.970,
d 为观察面与换能器辐射面之间的距离
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a b
图6气介式换能器二阶弯曲振动三维近场声压分布图(n=2,f=53296.8Hz).
Fig.6T hr ee-dimensional acoustic pressure distr ibution in near field o f
transducer in second flex ur al vibr atio n order
a.d/d c=0.160;
b.d/d c=0.797,d为观察面与换能器辐射面之间的距离
由上述两图可以看出,对于边界简支弯曲振动换能器的辐射声场,其近场声压分布比较复杂,不但具有一定的指向性,并且随着换能器振动阶次的增加,其声压分布变得更为复杂.
2.2弯曲圆盘辐射器的远场声压分布
对于远场中的任意点P(r,H),满足r m a的关系.利用图4可得
H2=r2+Q2-2r Q cos A.(27)式中A是矢量r与Q之间的空间角,对于r m a的情况,观察点与辐射面上任意小微元之间的距离H可简化为下面的形式:
H=r-Q cos A,(28)利用cos A=sin H cos U的关系式,可以得到换能器远场声压的统一表达式:
p(r,H,t)=j X Q0exp[j(X t-k0r)]
r Q
a
u A Q d Q Q2P0exp j k0Q sin H cos U d U.(29)
按照贝塞耳函数的积分关系式,上式可化为
p(r,H,t)=j X Q0exp[j(X t-k0r)]
r Q
a
u A J0(k0Q sin H)Q d Q.(30)
把换能器辐射面的振速分布式代入上式可得
p(r,H,t)=-X2Q0exp[j(X t-k0r)]
r Q
a
AJ0(k Q)+BI0(k Q)J0(k0Q sin H)Q d Q.(31)
积分上式可得换能器的远场声压分布为
p(r,H,t)
A =-
X2Q0a ex p[j(X t-k0r)]
r
1
k2-k20sin2H
{-k0sin H J0(ka)J1[k0a sin H]+kJ0[k0a sin H]J1(ka)}+
B
A
@1
k2+k20sin2H
{k0sin H I0(ka)J1[k0a sin H]+
kJ0[k0a sin H]I1(ka)}.(32)
由此可以得出换能器的指向性函数为
D(H)=
1
k2-k20sin2H
{-k0sin H J0(ka)J1[k0a sin H]+kJ0[k0a sin H]J1(ka)}+
第3期林书玉:弯曲振动超声换能器的振动特性及辐射声场研究37
B A #1k 2+k 20sin 2H
{k 0sin H I 0(ka)J 1[k 0a sin H ]+kJ 0[k 0a sin H ]I 1(ka)}.(33)
上述两式可以适用于不同的边界条件,例如固定、简支及自由等边界条件.对于本文的情况,即边界简支的情况,利用(2)或(3)式,得出B /A 的具体表达式,并代入上述公式可得
p (r ,H ,t)A =-X 2Q 0a ex p [j (X t -k 0r )]r {1k 2-k 20sin 2H
{-k 0sin H J 0(ka)J 1[k 0a sin H ]+kJ 0[k 0a sin H ]J 1(ka)}+
1k 2+k 20sin 2H
{-k 0sin H J 0(ka)J 1[k 0a sin H ]-kJ 0[k 0a sin H ]I 1(ka)J 0(ka)/I 0(ka)}}
.(34)D (H )=1k -k 0sin H
{-k 0sin H J 0(ka)J 1[k 0a sin H ]+kJ 0[k 0a sin H ]J 1(ka)}+1k 2+k 20sin 2H
{-k 0sin H J 0(ka)J 1[k 0a sin H ]-kJ 0[k 0a sin H ]I 1(ka)J 0(ka)/I 0(ka)}.(35)
上述两式就是边界简支圆形弯曲振动换能器的远场声压表达式及其指向性函数.图7a 和b 分别为边界简支圆形换能器一阶及二阶弯曲振动辐射声场的指向性图.图中辐射板的材料为金属钢,材料参数及几何尺寸为:c 1=5000m /s ,R =0.28,h =0.002m ,a =0.01m ,R (1)=
2.21482,R (2)=5.44949.由图中可以看出,弯曲振动气介超声换能器的远场声压分布具有明显的指向性.当换能器的振动阶次升高或换能器的频率升高时,声场的指向性变差,并且出现了更多的旁瓣
.
图7 气介式弯曲振动换能器的声场指向性
Fig.7 Directiv ity pattern of an air -coupled transducer
a.n =1,R (1)= 2.21482,f =23476.6Hz;
b.n =2,R (2)= 5.44949,f =142125.0Hz
3 总结
本文对边界简支弯曲振动气介超声换能器的振动和辐射特性进行了研究,推出了换能器的共振频率方程,并得出了弯曲圆盘辐射器的集中参数等效电路以及复合换能器的整体等效电路,给出了考虑负载以后换能器的整体频率方程.同时对弯曲振动换能器的辐射声场进行了38 陕西师范大学学报(自然科学版)第31卷
第3期林书玉:弯曲振动超声换能器的振动特性及辐射声场研究39
研究,得出了弯曲振动换能器近场的三维声压分布以及换能器远场的声压指向性图.研究表明,换能器的辐射声场不仅与其几何形状和尺寸有关,而且与其振动阶次有关.当换能器的振动阶次增大时,换能器的辐射声场将变得比较复杂.
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1责任编辑强志军2 Vibration and radiation characteristics of air-coupled
flexural ultrasonic transducers
LIN Shu-yu
(Institute of Applied Acoustics,Shaanxi Normal University,Xi c an710062,Shaanxi,China) Abstract:The vibration and radiation acoustic field of air-coupled transducers in flex ural vibration are studied.The radiator of the air-coupled transducer is a circular thin plate in flexural vibration w ith a simply supported boundary condition.T he axially symmetric flexural vibrational mode of the circular thin plate is analyzed.The resonance frequency equation of the circular radiator w ith a simply supported boundary condition is derived and the equivalent circuit of the circular thin plate in flexural vibration is obtained.T he near and far acoustic field of the circular thin plate radiator in flexural v ibration is analyzed.In the near acoustic field,the three-dimensional acoustic pressure distribution of the circular radiator in flex ural vibrational mode is computed.In the far acoustic field,the two-dimensional directivity pattern in polar coordinates is obtained theoretically.From the results it can be seen that the near acoustic field is limited to a reg ion that is equal to the surface area of the radiator,and the near acoustic field is also directional.When the v ibrational order of the circular thin plate in flexural vibration is increased,the near and far acoustic fields become com plex.T his is different from the acoustic field g enerated by an oscillating piston.
Key words:air-coupled transducer;resonance frequency;flex ural vibration;acoustic field
低频振动钻削振动装置 在钻削中按照刀具和工件是否振动可分为刀具振动钻削和工件振动钻削，若是工件振动则必有一个装置带动工件振动，该装置也可以称为振动钻削工作台。 1关于工作台的振动 采用工作台振动时，可以大大减少振动系统的复杂程度，降低了系统的改造难度，减少了工作量，最重要是减小了其他因素对所加振动的干扰。 利用振动工作台，司以把振动装置做成机床附件，不需要对机床进行大的改动，使得装置的适用性大大提高。 激振工作台时，工件和夹具成为惯性负载，其结构和质量的变化会对振幅输出造成影响，并改变振动台的动态性能。 曲柄连杆式轴向振动钻削工作台 将本装置安装于钻床工作台上，被加工零件安装于该装置工作台上。 首先由通用变频器(图1中没画出)驱动电机1按要求转速转动，由皮带带动偏心轴3转动，偏心轴3与偏心轴套4组成双偏心轴结构则按事先调好的偏心量带动轴承5转动，轴承5推动压在其上的振动轴9，使振动轴9连带工作台10一起作预定振幅和频率的正弦振动，弹簧8通过弹簧支承7使振动轴9始终和轴承5接触。使工件沿钻床轴线作预定振幅和频率的正弦振动。 钻床转速、进给也按要求调整好，则可实现振动钻削。当钻削小直径孔时，还可以采用手动进给来实现振动钻削。 关于钻头的振动钻头激振的优缺点 当激振钻头时，钻床主轴或传动系统的振动也会传到钻杆上，使得钻头的振动成为复合振动，不再只是所加的激励振动;同时钻头刚度低、加工时容易发生形变，是工艺系统的薄弱环节，这两方面使得传到钻头上的振动频率发生畸变、振幅损
失严重。 当激振钻头时，需要对机床的主轴系统进行改造，难度大、技术水平要求高，容易对机床精度造成不良影响。 当激振钻头时，惯性负载基本不变。 两种振动方式的对比 关于工作台的振动 采用工作台振动时，可以大大减少振动系统的复杂程度，降低了系统的改造难度，减少了工作量，最重要是减小了其他因素对所加振动的干扰。 利用振动工作台，司以把振动装置做成机床附件，不需要对机床进行大的改动，使得装置的适用性大大提高。 关于钻头的振动 激振工作台时，工件和夹具成为惯性负载，其结构和质量的变化会对振幅输出造成影响，并改变振动台的动态性能.当激振钻头时，惯性负载基本不变。 低频振动钻削精密深孔实验分析及振动装置的研制 1实验研究分析 应用振动切削技术，能解决难加工材料或难加工工序的精密深孔加工问题[f11f21我们对低频振动钻削精密深孔进行了较深入的实验研究[“]。研究中发现振动参数的选择对于断屑、表面质量及切削力等的影响很大:①振幅越大，深孔钻削时的断屑效果、孔表面质量越好。但振幅太大会带来其它问题，一是大振幅会增加刀具的磨损，影响刀具的寿命;二是大振幅使系统的振动和噪声加剧。因此对振动装置要求是能根据工件材料、刀具耐磨性、机床抗振性等因素调节振幅的大小，同时在结构设计上应考虑尽量降低系统的附加振动和噪音。②振动方式对断屑效果、孔表面加工质量、工具寿命都有直接影响。振动方式一般有轴向振动、周向振动和二者合成振动3种，具体的选择与工件材料、硬度、可切削性有关。轴向振动方式容易形成分离型切屑，适用于较软不易断屑的纯铝、纯铜等材料。但轴向振动时刀具与切削面的分离易造成刀具损坏，故淬火钢等较硬材料不宜选用这种方式，以免崩刃;周向振动一般为非分离型切屑，其断屑效果虽比普通切削强得多，但比轴向振动要差一些。但这种振动方式对刀具保护好，寿命长，适用于较硬易断屑的淬火钢等材料;轴向与周向的合成振动断屑效果最好，但刀具磨损也最严重，可用于难加工材料，如不锈钢等。 如上所述，为满足不同的加工要求，需选用不同的振幅和振动方式。而振动切削效果的好坏，在很大程度上取决于振动切削装置。目前这种装置一般只能做单向振动，适用面较窄。我们在低频振动钻削精密深孔时，研制了一套机械式低频复合振动装置，能很好地满足上述调整振幅和选用各种振动方式的要求。该装置主要由偏心轮摆杆机构和滚珠丝杠螺母机构组成。现介绍如下。 2偏心轮摆杆机构 偏心轮摆杆机构提供复合振动装置的振源。其机构运动简图如图1所示。电机1C2800r/min)经一级皮带传动，使偏心轴2产生6000r/ min的转速，偏心轴的旋转使摆杆3以及固联在摆杆上的滑块4产生100Hz的摆转振动。滑块的摆动振动将传递给与之相连的滚珠丝杠螺母机构5，从而带动枪钻头振动，这种机构结构紧凑，振动未经任何放大，较好地限制了系统的附加振动和噪音。
目次 1．绪论 (3) 1.1.引言 (3) 1.2.课题的来源及其研究的内容 (3) 1.3.超声振动钻削机构概述 (4) 1.4.超声波的产生及其特性 (5) 1.5.超声波的加工原理及特点 (6) 1.6.超声波加工发展概况 (7) 2．超声振动钻削系统的结构设计 (9) 2.1.引言 (9) 2.2.超声振动钻削系统的结构设计 (9) 3．超声振动钻削机构声学系统的设计 (13) 3.1.超声波发生器与换能器 (13) 3.2.超声变幅杆的设计 (14) 4．钻头夹具的设计与连接 (30) 4.1.钻头夹具的选取与设计 (30) 4.2.钻头夹具与变幅杆的连接 (31) 5．其他零部件的设计 (32) 5.1.其他零部件的设计 (32) 6．校核与计算 (34) 6.1.轴承的计算 (34) 6.2.内轴套的校核 (34) 设计总结 (36) 致谢 (39) 参考文献 (40)
第一章绪论 1.1引言 自上世纪50年代以来，特别是近一二十年，由于材料科学、高新技术的发展和激烈的市场竞争、发展尖端国防及科学研究的需要，不仅新产品更新换代日益加快，而且要求产品具有很高的强度重量和性能价格比。为此各种新材料、新结构、形状复杂的精密机械零件大量涌现，这些都对机械制造业提出了一系列迫切需要解决的新问题。因此，一些材料采用传统加工方法十分困难，甚至无法加工，特种加工便应运而生。超声波加工是特种加工的一种，它始于1927年，至今已有70多年的发展历史。它是利用超声振动的工具在有磨料的液体介质中，产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击以及由此产生的气蚀作用来去除材料已达到加工目的的加工方法。提到超声波加工，不能不提到超声波加工设备——机床。多年来，人们不断改进超声波加工机床，通过不断努力，使其取得了很大的进展，超声波加工效率提高了数倍，但它还是有很多的缺陷需要改进，本文将对超声波加工机提出一种新概念。 1.2课题来源及其研究的内容 随着科学技术的迅速发展和激烈的市场竞争，加快了产品更新换代的步伐，为此，各种新材料、新结构、高要求的零部件大量涌现，这对机械制造业提出了新的要求。解决各种难切削材料尤其是硬脆材料及复合材料的加工问题成了一个急待解决的问题。传统加工方法难度大、质量差、特种加工也就应运而生。特种加工包括电火花加工、超声波加工以及激光加工等。其中，超声波加工适合于加工各种硬脆材料，尤其是加工难以加工的材料，如玻璃、陶瓷、石英、金刚石、半导体等材料。因此在现在的加工中得到了广泛的应用。但是，超声波机床具有体积大、成本高的缺陷。还有加工的尺寸受到限制。为此，本文提出了一种新型的旋转超声复合钻削机构，它的具体结构将会在第二章中得到具体阐述。该新型结构可以作为一种机床附件，具有体积小、结构简单、成本低、可技工大型工件的优点，这对超声波加工以及机床的发展具有十分重要的意义。 课题研究的内容有以下六点：
超声振动辅助钻削钛合金的机理和工艺研究 摘要：随着时代的发展，经济的增长，社会的进步，我国的综合国力逐渐提高，科学技术不断的改良、创新、进步，而这些改变随之而来的是我国的工业发展越来越迅速，以往的封建的旧的思想以及旧的技术、产品已近满足不了这个时代的需求，人们的生活水平不断提高，对于新兴的产品以及技术的需求越来越高，超声振动辅助钻削钛合金技术的发展就是其中之一. 关键词：超声振动辅助钻削钛合金技术；机理；用途；工艺研究 1.超声振动辅助钻削钛合金的机理 随着科技的进步，社会的发展，超声振动辅助钻削钛合金的应用越来越普遍，其的原理基础还是应用了超声波的特点，超声波具有的特点有： 特点1：超声波在传播时，方向性强，能量易于集中。 特点2：超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离。 特点3：超声与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息（诊断或对传声媒质产生效应。（治疗） 超声振动辅助钻削在材料上的选择是很讲究的，超声振动辅助钻削在材料上选择钛合金的原因是因为钛合金的机械Q值高，机械损耗小，并且钛合金的机械强度大。所以用钛合金是比较好的。但因为钛合金的成本比铝、钢的成本要高，所以一般情况下，大部分的材料厂用铝，用钢也是可以，总的来说，这主要是更具看场合的需要来决定的。不仅如此，钛合金的材料还具有质轻高弹，超声波衰减小的特点，更重要的是，因为钛合金具有低密度、高比强度、弹性模量低、抗阻尼性能强的特点，所以，超声振动辅助钻削在材料上选择钛合金是十分合适的，硬质合金钢和钛合金的区别一个是硬度，一个是质地。钛合钢质地细腻而硬质合金坚硬却不细腻所以说在焊接时应该选用硬质合金钢，总的来说，超声振动辅助钻削在材料上的选择是十分重要的，选择钛合钢是十分合适的。 2.超声振动辅助钻削钛合金的工艺研究 如今，全球的发展十分迅速，尤其是中国，近几年，随着社会的进步，经济的增长，超声振动辅助钻削钛合金的工艺研究有了很大的进步，可以说，超声振动辅助钻削钛合金的技术近年来进入了一个全新的时期，可以说，超声振动辅助钻削钛合金的发展前景是光明的是明朗的，但是据专家人士分析，虽然最近几年超声振动辅助钻削钛合金技术有了很大的提升，但其技术与外国相比还是存在着许多差距的，其的发展还是不够稳定，不够成熟，还是有许多的问题需要我们解决的，下面，就像大家具体的介绍一下超声振动辅助钻削钛合金的工艺研究。
综 述 超声换能器特性回望 李 衍 (江苏太湖锅炉股份有限公司,江苏无锡 214187) 摘 要:回望并介绍了超声换能器影响检测灵敏度和分辨力的若干重要物理特性,有助于换能器的更新换代和缺陷定量定性技术的完善与提高,也有助于T OFD 、相控阵、SH 横波和导波等UT 新技术的推广应用。 关键词:超声换能器;物理特性;超声检测 中图分类号:T G115.28 文献标识码:A 文章编号:1671-4423(2006)02-01-05 1 压电换能器 换能器是将一种形式的能量转换成另一种能量的器具。超声换能器能将电能转变成机械能(声能),也能将机械能(声能)转变成电能。现代探伤有几种方法可产生和检出超声脉冲,最常用的是利用某些材料的压电效应。其它还有电磁声换能器(EM AT )和激光技术。 1880年居里兄弟发现:从某些晶体材料按特定方向切割下来的薄片,当受机械力作用产生变形时,会在薄片两面产生电压,他们称此现象为“压电”。翌年,李普曼又发现了相反的现象:加在薄片两面的电压也会使薄片产生机械变形(即逆压电效应)。石英(SiO 2 )是压电材料的典型,四水酒石酸钾钠(罗谢尔盐)和电石晶体也显示相同效应。 在超声探伤最初30年间,从1929年直到19世纪50年代末,石英一直是最常用的换能器材料。所 需薄片是从石英单晶体上切割下来的。随后,又开发了新的多晶材料。这种材料电阻抗较低(耐高频),超声特性较优,效率比石英高60%～70%。做换能器前,多晶材料须经极化处理。极化时,各晶体按同向排列整齐,以使其综合效应相干;极化方法:将多晶薄片置于油浴槽中加热到接近临界温度即居里温度,并在薄片两侧施加强静电场,然后使之降温缓冷(图1)。 超声探伤常用的压电材料,其居里温度各不相同,故油浴槽温度需根据所使用的压电材料加热到适当 温度。如:钛酸钡(BaT iO 3)的居里温度约为120℃, 图1 压电晶片的极化 而不同牌号的锆钛酸铅(PbZrT iO 3,缩写PZT ),居里温度为190℃～350℃,偏铌酸盐(PM N)约为400℃。若使压电材料随后加热到居里温度,它就会“退极”,丧失压电特性。因此,检测高温试件时,须防止换能器“退极”。必要时,应另选换能器材料。 2 几个重要物理特性 2.1 振动模式 换能器薄片,不管是由自然界存在的压电单晶体制成,还是由极化的多晶体材料制成,当言及探头结构时,通常都称其为“晶片”。晶片可为圆形或矩形;对某些应用,还可作成瓦形或凹面,以使声束聚焦。晶片受到电脉冲激励时产生的振动模式,对石英单晶来说,取决于其切割方向;对多晶体来说,则取决于其极化方向。图2即典型的石英单晶体;图2(a )中标有结晶学规定的三个晶轴;图2(b)为从晶体上切下的两晶片,分别为X-切割晶片和Y-切割晶片。这里,所谓X-切割晶片是指表面与X 轴相垂直的晶片,而Y-切割晶片是指表面与Y 轴相垂直的晶片。若将交变电压施加于晶片两面,X-切割晶片会在厚度方向产生伸缩变形,而Y-切割晶片会在 第30卷第2期2006年4月 无损探伤N D T Vol.30No.2 Apr il.2006
一、振动钻孔装置 １．主轴振动． <1>（1）《新型微小孔振动钻床》杨兆军王立江 （2）原理：压电陶瓷振动元件直接振动主轴电机 压电陶瓷安装在精密中频主轴电机和套筒之间，在低频放大器的驱动下带动主轴电机作轴向振动。电机主轴轴承经调隙预紧，使主轴随电机一起振动。进给机构用步进电机做动力元件，驱动谐波减速器。齿轮与套筒上的齿条啮合，实现主轴的进给运动。在减速器输出轴和齿轮之间设置手动进给装置——机动进给装置转换。优点：钻床主体的其他部分与普通台钻相同。模拟切削力在0—8N变化时，钻头振幅小于8%，频率在100—400Hz范围变化时，振幅变化小于15%。由此说明钻床的承载能力较强，频率范围较宽。振动和切削参数采用单片微型计算机控制，操作方便。 (3)实验：采用直径0.28mm的高速钢麻花钻对18Cr2Ni4WA工件（属难加工材料）进行振动钻孔，振幅A=3μm，主轴转速15000r/min，进给速度60mm/min，振动频率250Hz；同时普通钻削（A=无穷大）钻孔。 对比指标：孔位置偏移量。 对比结果：振动钻床钻孔降低了孔的偏移量和孔径的分散程度，提高了加工精度。（4）结论：与各种振动工作台的振动钻削装置相比，振幅不受工件结构尺寸和重量的影响，具有良好的通用性。 <2>《微细深孔超声轴向振动钻削装置的设计》黄文 摘要:超声振动钻削属于脉冲式的断续切削,在深孔加工方面具有普通孔加工技术无法比拟的工艺效果。文章介绍了作者基于高频振动切削原理设计的一台超声
轴向振动钻削装置的结构,并将该装置用于立式加工中心上对铝、 铜等材料进行了切削加工实验。实验结果表明, 超声振动加工可提高微细深孔的加工精度和表面质量, 这种方法特别适合于软质材料的微细深孔的精密和超精密加工。 （1）原理：超声波发生器将 220 V 、 50 Hz 的交流电转换成超声频电振荡信号,以向系统提供振动能量。压电陶瓷换能器将超声频电振荡信号转换成超声频机械振动。轴向振动变幅杆将换能器输出的小振幅放大后有效地传递给工具系统,从而实现钻头的超声频振动。 （2）结构： 工作时,来自超声波发生器1 的励振和励磁电流,通过碳刷2 传送到集流环3 上, 再经过钎焊在集流环上的导线,与可以回转的压电陶瓷换能器( 由5、 6、 8、 9、 10 组成) 相接。换能器的输出端通过螺钉5 与锥型变幅杆11 的输入端相连,而变幅杆的输出端做成莫式锥柄状, 并与莫式短锥孔钻夹头14 相配。这样只要将直柄高速钢麻花钻15 紧固在钻夹头中就可以进行超声轴向振动钻削了。 本设计采用了数字锁相环频率自动跟踪式晶体管型超声波发生器, 其最大输出功率为 500W, 输出频率为16 ~ 25 kHz 。超声轴向振动钻削装置振动频率为20 ±1 kHz 、 振幅为25m μ。压电陶瓷换能器的伸缩变形小,一般情况下,其振幅为4~ 10 m μ,而超声振动钻削对振幅的要求往往需要达到10~ 100 m μ,故超声波振动装置需要变幅杆放大振幅。 （3）实验：利用高速钢麻花钻对并分别对孔径 φ0. 2 mm 、0. 5 mm 、0. 8 mm 、
2．1 超声波的定义 波是由某一点开始的扰动所引起的，并按预定的方式传播或传输到其他点上。声波是一种弹性机械波。人们所感觉到的声音是机械波传到人耳引起耳膜振动的反应，能引起人们听觉的机械波频率在20Hz~20KHz ，超声波是频率大于20KHz 的机械波。 在超声波测距系统中，用脉冲激励超声波探头的压电晶片，使其产生机械振动，这种振动在与其接触的介质中传播，便形成了超声波。 2．2超声波的物理特性 当声波从一种介质传播到另一种介质时，在两介质的分界面上，一部分能量反射回原介质，称为反射波；另一部分能量透射过分界面，在另一个介质内部继续传播，称为折射波，如图2．1所示，图中L 为入射波，S ?为反射横波，L ?为反射纵波，L ?为折射纵波，S ?为折射横波。 L 图2．1超声波的反射、折射及其波形转换 这些物理现象均遵守反射定律、折射定律。除了有纵波的反射波折射波以外，还有横波的反射和折射。 因为声波是借助于传播介质中的质点运动而传播的，其传播方向与其振动方向一致，所以空气中的声波属于纵向振动的弹性机械波。在理想介质中，超声波的波动方程描述方法与电磁波是类似的。描述简谐声波向X 正方向传播的质点位移运动可表示为： ()cos()A A x t kx ω=+ （2.1） 0()ax A x A e -= （2.2） 式中，()A x 为振幅即质点的位移，0A 为常数，ω为角频率，t 为时间，x 为传播距离，2/k πλ=为波数，λ为波长，α为衰减系数。衰减系数与声波所在介质和频率关系： 2af α= （2.3）
式(2．3)中，a 为介质常数，f 为振动频率。 2．2．1超声波的衰减 从理论上讲，超声波衰减主要有三个方面： (1) 由声速扩展引起的衰减 在声波的传播过程中，随着传播距离的增大，非平面声波的声速不断扩展增大，因此单位面积上的声压随距离的增大而减弱，这种衰减称为扩散衰减。 (2) 由散射引起的衰减 由于实际材料不可能是绝对均匀的，例如材料中外来杂质金属中的第二相析出、晶粒的任意取向等均会导致整个材料声特性阻抗不均，从而引起声的散射。被散射的超声波在介质中沿着复杂的路径传播下去，最终变成热能，这种衰减称为散射衰减。 (3) 由介质的吸收引起的衰减 超声波在介质中传播时，内于介质的粘滞性而造成质点之间的内摩擦，从而使一部分声能转变成热能。同时，由于介质的热传导，介质的稠密和稀疏部分之间进行热交换，从而导致声能的损耗，以及由于分子驰豫造成的吸收，这些都是介质的吸收现象，这种衰减称为吸收衰减。 扩散衰减仅取决于波的几何形状而与传播介质的性质无关。对于大多数金属和固体介质来说，通常所说的超声波的衰减，即p(衰减系数)表征的衰减仅包括散射衰减和吸收衰减而不包括扩散衰减。因此，空气介质的衰减系数也由两部分组成，可由下式表示： 22222238211()3v P f f K C C C C πηπβρρ=++ (2.4) 式中：K ：热传导系数 f ：超声波频率 η：动力粘滞系数 C ：超声波传播速度 v C ：定容比热 p C ：定压比热 ρ：传播介质密度 式(2．4)中第一项是由内摩擦引起的衰减系数，第二项是由热传导引起的衰减系数，由于后者比前者小得多，故在忽略热传导引起的超声波衰减的情况下，衰减系数可以由下式表示： 223 83f C πηβρ= （2.5） 把C = 2.5）可得： 3223 322283()M f R T β πηργ=?? (2.6) 由式(2．6)可知：温度一定时，η、 ρ、T 均一定，衰减系数与频率的平方成正比；频率越高，衰减的系数就越大，传播的距离也就越短。在实际应用中，一般选
超声振动钻削声学系统的设计研究 刘传绍 郑建新 赵 波 焦 锋 高国富 （焦作工学院机械工程系，河南焦作!"!### ）摘要：通过对超声振动钻削系统的理论分析，给出了不同的纵向振动圆锥形变幅杆设计公式，分析了面积系数与谐振长度、位移节点、极大值点、放大系数和形状因素之间的关系。用实例分析了几种变幅杆的不同点，并指出设计超声振动钻削声学系统时推荐采用复合变幅杆。 关键词：超声振动钻削；圆锥形变幅杆；参数设计在探索加工复合材料和超硬材料等难加工材料时，超声振动钻削由于其特殊的切削机理引起诸多 专家学者的重视。研究表明［$］，选择合适的振动参 数（振动频率和振幅）、进给量和主轴转速等参数，能明显提高钻削定位精度、尺寸精度和圆度，减少出口毛刺、降低孔的表面粗糙度值、切削力及切削温度，延长钻头的使用寿命等。 振动钻削效果的好坏，在很大程度上取决于振动切削装置。振动系统一般需要满足的条件是：刀 收稿日期：%##%&$$&#’ 具装到变幅杆上以后，必须能和换能器的振动频率产生共振；刀具和变幅杆之间拆卸方便；振动系统的振动节点位置清晰准确，能在这个位置上把振动系统固定在刀架上，且该系统的振动频率在加工过程中保持不变。典型的振动钻削装置的声学系统包括超声发生器、换能器、变幅杆和刀具等。设计的关键是使超声发生器、换能器、变幅杆和刀具能组成一个机械谐振系统，从而使刀具能产生最大的振幅。由于发生器和换能器一般都由专业生产厂家设计制造，故一般只需考虑变幅杆的设计以及变幅杆与刀 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 具的连接问题。 行度不低于#(#"))，平面度不低于#(#%))。考虑到一套模芯需一套垫板，故要制造多套垫板。 !("压板夹紧机构 压板利用不等臂杠杆的扩力作用，扩大了对垫板的压紧力。 （$ ）压板的销轴考虑到销轴表面须耐磨，而芯部需具韧性，故选用!#*+进行渗碳淬火。销轴与压板之间采用,-／.’间隙配合， 间隙小，但能容纳一定的润滑油。销轴直径选择在保证强度的前提下，尽可能小。 （% ）压板压板的设计既要满足强度、刚度要求，又力求外型美观。其形状如图!所示。 图!压板外形 对压杆设计的关键是!面与水平面的夹角，它既与凸轮的尺寸有关，也与夹压面"所处的位置有关。当"面与垫板接触时，!面对凸轮的作用应使凸轮产生逆时针方向回转力，从而保证凸轮自锁。 （/ ）凸轮按照阿基米德螺线凸轮的作法设计凸轮。（! ）凸轮轴凸轮轴在工作中受弯扭矩组合作用，选用!#0+材料，调质处理。 （" ）伸缩式定位销为了确保活动定位销伸缩可靠自如，并能长期使用，应选用齿轮齿条机构。制造装配时保证活动定位销、齿轮轴均与模座成,-／.’间隙配合。由于该齿轮齿条机构只在更换模芯时工作，故齿轮的轴向无须精确定位，只须靠其端面粗略限位。参考文献： ［$］龚定安(机床夹具设计(西安：西安交通大学出版社，$11% ［%］许发樾(模具标准应用手册(北京：机械工业出版社，$11!［/］成大先(械设计手册(北京：化学工业出版社，$11/ — !!—《电加工与模具》%##/年第%期 设计? 研究 万方数据
超声波加工 摘要：超声波加工是利用工具断面的超声振动，通过磨料悬浮液加工脆硬材料的一种成型方法。它能广泛应用于各个领域，特别对于一些常规加工方式无法完成的或者加工精度无法达到要求的工件。目前经过几十年的发展，超声波加工技术已逐步成熟，并已在一些要求条件高、加工工艺复杂、精度要求高的领域逐步发展起来，相信随着技术的发展它的应用范围及领域会越来越广。 关键词：超声波；研究前沿；应用领域 引言：超声波随着技术的发展越来越为人们所应用，他通过自身的一些特性一步步奠定自己在切削、拉丝模、深小孔加工等的地位。特别在现代这个迅猛发展的社会它的地位越来越重要，我们应该加快它的发展速度，为我们所用。 超声波加工（USM）是利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液加工硬脆材料的一种加工方法。超声波加工是磨料在超声波振动作用下的机械撞击和抛磨作用与超声波空化作用的综合结果，其中磨料的连续冲击是主要的。加工时在工具头与工件之间加入液体与磨料混合的悬浮液，并在工具头振动方向加上一个不大的压力，超声波发生器产生的超声频电振荡通过换能器转变为超声频的机械振动，变幅杆将振幅放大到0.01～0.15mm，再传给工具，并驱动工具端面作超声振动，迫使悬浮液中的悬浮磨料在工具头的超声振动下以很大速度不断撞击抛磨被加工表面，把加工区域的材料粉碎成很细的微粒，从材料上被打击下来。虽然每次打击下来的材料不多，但由于每秒钟打击16000次以上，所以仍存在一定的加工速度。 与此同时，悬浮液受工具端部的超声振动作用而产生的液压冲击和空化现象促使液体钻入被加工材料的隙裂处，加速了破坏作用，而液压冲击也使悬浮工作液在加工间隙中强迫循环，使变钝的磨料及时得到更新。 一、超声波加工的原理 1.1 超声波概述 “超声波”这个名词术语，用来描述频率高于人耳听觉频率上限的一种振动波，通常是指频率高于16kHz以上的所有频率。超声波的上限频率范围主要是取决于发生器，实际用的最高频率的界限，是在5000MHz的范围以内。在不同介质中的波长范围非常广阔，例如在固体介质中传播，频率为25kHz的波长约为200mm；而频率为500MHz的波长约为0.008mm。 超声波和声波一样，可以在气体、液体和固体介质中传播。由于超声波频率高、波长短、能量大，所以传播时反射、折射、共振以及损耗等现象更显著。在不同的介质中，超声波传播的速度c亦不同，例如c空气=331m/s；c水=1430m/s；
第二章超声波声场的特性 第一节波源辐射声场 超声检测或超声相控阵成像检测设备都是工作于主动检测方式。即由作为生源的超声换能器或阵列超声换能器向被检测物体内发射超声波，然后由接收换能器或阵列换能器接收载有被检测物体内缺陷或组织信息的超声回波信号，再通过信息提取与处理，实现对被检测物体内部缺陷或结构的评估与成像。 2.1 波动方程 物理声学中的波动方程是研究超声（或阵列）换能器的声场特性最基本的原理和方程。若被超声检测的物体为金属材质，大部分区域被认为各点的声速和密度是一致的，被认为是均匀体，只是对于缺陷或组织不均匀区域则是不一致的；若被检测物体为生物体，物体内各点的声速与密度存在起伏，并非均匀一致。本书只讨论在工程应用的超声相控阵成像检测技术，因此仅讨论在均匀介质中的声场。在声速与密度非均匀的介质中，声波传播过程用非均匀介质中声波方程来加以描述。非均匀介质中波动方程为 ?2P?1 C2e2P et2 =1 ρ ?ρ??P（式2-1） 式中，P是声强，ρ是介质密度，c是声波的速度，▽是梯度算子。假设声速和密度较之平均声速c0和平均密度ρ0有微小偏移，即 ρ=ρ0+?ρc=c0+?c 其中?ρ<<ρ0，?c< 超声波振动切削原理 一、超声波振动切削原理 超声振动切削，是使刀具以20-40KHz的频率，沿切削方向高速振动的一种特种切削技术。超声振动切削从微观上看是一种脉冲切削，在一个振动周期中，刀具的有效切削时间很短，一个振动周期内绝大部分时间里刀具与工件切屑完全分离，刀具与工件切屑断续接触，切削热量大大减少，并且没有普通切削时的“让刀”现象。?利用这种振动切削，在普通机床上就可以进行精密加工，圆度、圆柱度、平面度、平行度、直线度等形位公差主要取决于机床主轴及导轨精度，最高可达到接近零误差，使以车代磨、以钻代铰、以铣代磨成为可能。与高速硬切削相比，不需要过高的机床刚性，并且不破坏工件表面组织，在曲线轮廓零件的精加工中，可以借助数控车床、加工中心等进行仿形加工，可以节约高昂的数控磨床购置费用。 超声波振动切削用于各种难以磨削而对表面质量及精度要求较高的零件的精加工，具有很大的优越性。超声波振动切削装置由超声波发生器、换能器、变幅杆及刀具等四部分组成，由超声波发生器发出的高频电讯号经换能器转化为高频机械振动，再由变幅杆将振动的振幅放大并施加到道具上，一般将换能器与变幅杆组成的部件称为声学头。 二、超声振动切削的优势特点 1.切削力小，约为普通刀具切削力的1/3—1/10； 2.加工精度高； 3.切削温度低，工件保持室温状态； 4.不产生积屑瘤，工件变形小，没有毛刺； 5.粗糙度低，可接近理论粗糙度值； 6.被加工零件的“刚性化”，即与普通切削相比，相当于工件刚性提高； 7.加工过程稳定，有效消除颤振； 8.切削液的冷却，润滑作用提高； 9.刀具耐用度呈几倍到几十倍提高； 10.工件表面呈压应力状态，耐磨性、耐腐蚀性提高； 11.切削后的工件表面呈彩虹效果。 三、超声振动切削的应用范围 (一)难切削材料的加工 不锈钢、淬硬钢、高速钢、钛合金、高温合金、冷硬铸铁以及陶瓷、玻璃、石材等非金属材料，由于力学、物理、化学等特性而难以加工,如采用超声振动切削则可化难为易。 （二）难加工零件的切削加工 如易弯曲变形的细长轴类零件、小径深孔、薄壁零件、薄盘类零件与小径精密螺纹以及形状复杂、加工精度与表面质量要求又较高的零件。 (三)高精度、高表面质量工件的切削加工 (四)排屑、断屑比较困难的切削加工 四、超声振动切屑的应用领域 广泛应用于航空、航天、军工等领域。 . 超声波换能器的基本原理 压电式换能器：压电式换能器利用了某些单晶材料的压电效应和某些多晶材料的电致伸缩效应。 超声波压电效应 某些单晶材料的结构具有非对称特性，当这些材料受到外加应力作用而产生应变时，其内部晶格结构的变化（形变）会破坏原来宏观表现为电中性的状态，产生极化电场（电极化），所产生的电场（电极化强度）与应变的大小成正比。这种现象称为正压电效应，它是由居里兄弟于1880年发现的。随后，在1881年又进一步发现这类单晶材料还具有逆压电效应，即具有正压电效应的材料在受到外加电场作用时，会有应力和应变产生，其应变与外电场的大小成正比。压电效应是晶体结构的一个特性，它与晶体结构的非对称性有关，而压电效应的大小及性质则与施加的应力或电场对晶体结晶轴的相对方向有关。具有压电效应的单晶材料种类很多，最常用的如天然石英（SiO2）晶体，以及人工单晶材料如硫酸锂（Li2SO4）、铌酸锂（LiNbO3）等等。 2电致伸缩效应 某些多晶材料中存在有自发形成的分子集团，即所谓“电畴”，它具有一定的极化，并且沿极化方向的长度往往与其他方向的长度不同。当有外加电场作用时，电畴会发生转动，使其极化方向与外加电场方向趋于一致，从而使该材料沿外加电场方向的长度将发生变化，表现为弹性应变。这种现象称为电致伸缩效应。 3.磁致伸缩式换能器 磁致伸缩式换能器利用了磁致伸缩效应，这时特定合金材料结晶结构的物理特性，即某些铁磁体及其合金，以及某些铁氧体中的磁畴，在其自发磁化方向上的长度可能与其它方向上的不同。当有外加磁场作用时，由于这种磁畴将发生转动，使其磁化方向尽量与外磁场方向趋于一致，从而使该材料沿外磁场方向的长度将发生变化，表现为弹性应变（当然，这种变形引起的应变是很小的，约在10-5~10-6之间）。这种现象即是磁致伸缩效应。相反，具有磁致伸缩效应的材料在经受外加应力或应变时，其磁化强度也会发生改变，此即为逆磁致伸缩效应。这样，在对磁致伸缩材料施以交变磁场时，该材料将沿磁力线方向发生磁致形变，从而可以在与它表面紧密接触的介质中激发出机械振动波-[1]。同样，利用逆磁致伸缩效应则可达到接收超声波的目的：施加到磁致伸缩材料上的应变（弹性应力-超声波作用力）将使处在外加磁场中的该材料其磁场的磁通密度发生变化（此即所谓磁弹性效应），从而使位于该材料表面上的检测线圈中将因磁通密度变化而产生感应电势，可以用作磁弹性效应的信号，达到接收超声波的效果（注意磁场方向应和应力方向-超声波产生的质点振动方向一致）。根据磁致伸缩的变化状态，可以分为： [1]线型磁致伸缩：在发生应变时，材料的体积不变，但在长度方向上伸缩变化的程度大，这是磁致伸缩式换能器主要应用的类型。但是，它只能在居里温度以下的情况发生，若温度超过居里点后将只能存在体积型磁致伸缩。 [2]体积型磁致伸缩：在发生应变时，材料的体积也会发生变化。磁致伸缩式换能器主要用于低频大功率的场合，这与其频率受限制和受磁性材料特性参数限制的因素有关，它特别是在功率超声应用领域中有着广泛应用，其特点主要是机械强度高，性能稳定，水密要求低（不会水解）。但是，它的涡流和磁滞损耗较大，电声转换效率不如压电式换能器，而且通常需要有较大的激励电能以用于大功率场合。需要注意的是，在施以交变磁场时，由于趋肤效应 第二章超声波发射声场与规则 反射体的回波声压 超声波探头(波源)发射的超声场，具有特殊的结构。只有当缺陷位于超声场内时，才有有可能被发现。 由于液体介质中的声压可以进行线性叠加，并且测试比较方便。因此对声场的理论分析研究常常从液体介质入手，然后在一定条件下过渡到固体介质。 又由于实际探伤中广泛应用反射法，因此本章在讨论了超声波发射声场以后，还讨论了各种规则反射体的回波声压。 第一节纵波发射声场 一、圆盘波源辐射的纵波声场 1.波源轴线上声压分布 在不考虑介质衰减的条件下，图2.1所示的液体介质中圆盘源上一点波源ds辐射的球面波在波源轴线上Q点引起的声压为 式中 P o——波源的起始声压； d s——点波源的面积； λ——波长； r——点波源至Q点的距离； κ———波数，κ=ω/c=2π/λ； ω——圆频率，ω=2πf；‘ t——时间。 根据波的迭加原理，作活塞振动的圆盘波 源各点波源在轴线上Q点引起的声压可以线性迭加，所以对整个波源面积积分就可以得到波源轴线上的任意一点声压为 其声压幅值为 (2.1) 式中 R s—波源半径； χ——轴线上Q点至波源的距离。 上述声压公式比较复杂，使用不便，特作如下简化。 当χ≥2R，时，根据牛顿二项式将(2.1)式 简化为 (2.2) 根据sinθ≈θ(θ很小时)上式可简化为 (2.3) 式中 Fs——波源面积， (2.3)式表明，当χ≥3R；/A时，圆盘源轴线上的声压与距离成反比，与波源面积成正比。 波源轴线上的声压随距离变化的情况如图2.2所示。 (1)近场区：波源附近由于波的干涉而出现一系列声压极大极小值的区域，称为超声场的近场区，又叫菲涅耳区。近场区声压分布不均，是由于波源各点至轴线上某点的距离不同，存在波程差，互相迭加时存在位相差而互相干涉，使某些地方声压互相加强，另一些地方互相减弱，于是就出现声压极大极小值的点。 波源轴线上最后一个声压极大值至波源的距离称为近场区长度，用N表示。 声压P有极大值，化简得极大值对应的距 离为 式中n=O、1、2、3、……<(D s-一x)/2λ的正整数，共有n+1个极大值，其中n=0为最后一个极大值。因此近场长度为 (2.4) 声压P有极小值，化简得极小值对应的距离为 式中，n=0、1、2、3、…… 声学换能器技术专题 超声技术的基石———超声换能器的原理及设计 3 林书玉 (陕西师范大学物理学与信息技术学院 西安 710062) 摘 要 超声换能器是在超声频率范围内将交变的电信号转换成声信号或者将外界声场中的声信号转换为电信号的能量转换器件,它是超声技术中的关键器件,其性能好坏直接关系到超声应用技术的效果和使用范围.由于超声技术的应用范围很广,且超声新技术层出不穷,因而与此对应的超声换能器的种类也很多.文章对不同应用背景下多种类型超声换能器的原理及设计进行了阐述,分析了不同类型超声换能器的性能参数及设计要求,简要总结了超声换能器的性能参数测试方法,并对超声换能器的发展趋势进行了一定的分析. 关键词 超声换能器,功率超声换能器,检测超声换能器,电声效率,灵敏度,功率容量 Founda ti ons of ultra son i c technology ———the theory and desi gn of ultra son i c transducers L IN Shu 2Yu (College of Physics and Infor m ation Technology,Shaanxi N or m al U niversity,X i ′an 710062,China ) Abstract U ltras onic transducers convert electric signals into acoustic signals in the ultras onic frequency range,or vice versa .They are key devices in ultras onic technology and their perfor mance deter m ines the effectiveness and uses of ultras onic technology .Because of their diverse app lications,there are many types of ultras onic transduc 2ers .I n this paper,various transducers for different app lications are described,and their theory,design and per 2for mance requirements are analyzed .Their characterizati on is als o outlined,and development trends are analyzed .Keywords ultras onic transducers,po wer transducers,detecti on transducers,electr o 2acoustical efficiency,sensitivity,power capacity 3 国家自然科学基金(批准号:10674090)和教育部博士点基金 (批准号:20050718003)资助项目2008-09-11收到 Email:sylin@snnu .edu .cn 1 概述 1.1 引言 超声技术出现于20世纪初期.它是以经典声学 理论为基础,同时结合电子学、材料学、信号处理技术、雷达技术、固体物理、流体物理、生物技术及计算技术等其他领域的成就而发展起来的一门综合性高新技术学科.近一个世纪的发展历史表明,超声学是声学发展中最为活跃的一部分,它不仅在一些传统的工农业技术中获得广泛应用,而且已经渗透到国防、生物、医学及航空航天等高技术领域.超声学主要研究超声波在不同介质中的产生、传播、接收、信息处理及有关的效应等问题.超声物理和超声工程是超声学的两个主要方面.超声物理 是超声工程的基础,它为各种各样的超声工程应用 技术提供必需的理论依据及实验数据.超声工程的研究内容主要包括各种超声应用技术中超声波产生、传输和接收系统的工程设计及工艺研究.超声在介质中传播时会产生许多物理、化学及生物等效应,同时因为超声穿透力强、方向性好、信息携带量大、易于实现快速准确的在线检测和诊断而实现无损检测,因而在工业、农业、国防、生物医药和科学研究等方面得到广泛的应用. 超声换能器是在超声频率范围内将交变的电信 毕业设计(论文)开题报告题目：超声振动钻床的设计 学院：机械工程学院 专业：机械设计制造与自动化 学生： XXX 学号： 0 开题报告填写要求 1．开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效。 2．开题报告容必须用黑墨水笔工整书写或按此电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见。 3．“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目，学生写文献综述的参考文献应不少于10篇（不包括辞典、手册），其中至少应包括1篇外文资料；对于重要的参考文献应附原件复印件，作为附件装订在开题报告的最后。 4．统一用A4纸，并装订单独成册，随《毕业设计（论文）说明书》等资料装入文件袋中。 毕业设计（论文）开题报告 1．文献综述：结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2500字以上的文献综述，文后应列出所查阅的文献资料。 文献综述 引言 1 超声振动系统的研究进展及其应用 超声振动系统由换能器、变幅杆和工具头等部分组成，是超声设备的核心部分。在传统应用中，超声振动系统大都采用一维纵向振动方式，并按“全调谐”方式工作。但近年来，随着超声技术基础研究的进展和在不同领域实际应用的特殊需要，对振动系统的工作方式和设计计算、振动方式及其应用研究都取得了新的进展。 日本研究成功一种半波长弯曲振动系统，其切削刀具安装在半波长换能振动系统细端，该振动系统换能器的压电瓷片采用半圆形，上下各两片，组成上下两个半圆形压电换能器(压电振子)，其特点是小型化，结构简单，刚性增强。 日本还研制成一种新型“纵-弯”型振动系统，并已在手持式超声复合振动研磨机上成功应用。该系统压电换能器也采用半圆形压电瓷片产生“纵-弯”型复合振动。 日本金泽工业学院的研究人员研制了加工硬脆材料的超声低频振动组合钻孔系统。将金刚石中心钻的超声振动与工件的低频振动相结合，制造了一台组合振动钻孔设备，该设备能检测钻孔力的变化以及钻孔精度和孔的表面质量，并用该组合设备在不同的振动条件下进行了一系列实验。实验结果表明，将金刚石中心钻的超声振动与工件的低频振动相结合是加工硬脆材料的一种有效方法。 东南大学研制了一种新型超声振动切削系统。该系统采用压电换能器，由超声波发生器、匹配电路、级联压电晶体、谐振刀杆、支承调节机构及刀具等部分组成。当发生器输出超声电压时，它将使级联晶体产生超声机械伸缩，直接驱动谐振刀杆实现超声振动。该装置的特点是：能量传递环节少，能量泄漏减小，机电转换效率高达90%左右，而且结构简单、体积小，便于操作。 航空工业学院建立了镗孔用超声扭转振动系统，采用磁致伸缩换能器，将超声波超声波振动切削原理
超声波换能器的基本原理
第2章 超声波发射声场与规则反射体的回波声压
超声技术的基石_超声换能器的原理及设计
超声振动钻床的设计开题报告
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