有负载的超声弯曲变幅杆的振动特性分析

基于传递矩阵法,介绍了负载情况下弯曲变幅杆振动分析的一般方法。作为方法的应用例,对负载情况下弯曲交幅杆的谐振频率,以及负载情况下变幅杆的放大系数进行了一些数值计算。最后验证了负载抗对变幅杆谐振频率的影响。     

超声弯曲模式变幅杆的振动分析

介绍了用传递矩阵分析超声弯曲变幅杆的方法,推导了变幅杆的频率方程、放大系数、形状因子的表达式。作为方法的应用例,对圆锥形变幅杆进行了一些数值计算。最后进行了验证。结果表明传递矩阵法是弯曲变幅杆分析的有效方法。     

超声变幅杆的四端网络法设计

依据四端网络的基本原理,利用力电类比的方法,给出了复合变幅杆的等效电路图;并通过电路运算,推导出圆锥过渡段和指数过渡段阶梯形复合变幅杆频率方程和放大系数的一般公式,为超声变幅杆的设计和性能分析提供了理论依据。     

带有锥形孔的复合变幅杆设计及动态分析

在超声振动拉丝加工过程中,为了实现线材的顺利拉拔,需要应用带有锥形孔的复合变幅杆。为此,本文基于等效四端网络与传输矩阵法,建立了带锥形孔圆锥变幅杆的传输矩阵,推导出带锥形孔圆锥过渡复合变幅杆的频率方程的一般公式。根据推导出的频率方程,应用区间搜索法和牛顿迭代法获取了准确的数值解,实现了该复合变幅杆的纵向振动。之后,应用有限元软件Ansys对设计出的复合变幅杆分别进行模态分析和动力学特性分析,获得了各段不同长度下复合变幅杆谐振频率、放大系数以及最大应力值的变化规律。最后,对制造出的复合变幅杆进行阻抗与振动性能测试,结果表明其频率准确,且振幅比较稳定。     

有载变幅杆特性的Mbius变换分析

本文把复变数解析映象理论引用于变幅杆的研究,解决了有复数、变动负载阻抗时,变幅杆的一些特性分析问题。 文中导出了圆锥形、指数形和悬链线形等变幅杆纵振动解析解;应用Mboius变换,建立了阻抗映象图,直观地表达了变幅杆两端复阻抗对应关系及相应变化关系;讨论了变幅杆两端相对阻抗相等问题;分析了变幅杆工作稳定性;此外,应用Mobius反变换,给出了在各种负载条件下的变幅杆谐振方程,并对方程有解条件进行了讨论。 计算结果表明:现有的一些计算变幅杆谐振频率公式,均包括在本文所给结果之中。理论和验证实验结果相符合。     

粗细端等长阶梯形变幅杆的有限元分析

本文利用有限元分析软件ANSYS研究了一组粗细端截面积比不同的阶梯形变幅杆，得出了每个变幅杆的第一阶和第三阶谐振频率、粗细端分界面的相对位移和振幅放大系数。结果表明：ANSYS仿真值与实测值的平均偏差仅为0．3％，远小于常用式解析值与实测值的偏差；变幅杆粗细端分界面的运动类似受牵引的薄膜运动；而振幅放大系数与面积比成正比的结论可扩展到粗细端截面积比为100的情况。     

扭振阶梯形变幅杆频率方程的一般表示

利用变截面杆扭报方程和边界条件，导出的扭振阶梯形变幅杆的频率方程，在S1=S2，或l1=l2时，并不适于实际情况．本文首先导出了扭振声传输线方程，并用之对阶梯形变幅杆的频率方程作了一般表示．     

几种扭振复合超声变幅杆的研究

对左、右段为圆柱型、中间段为变截面杆的三段式复合扭振超声变幅杆给出了频率方程和参数计算通式据此得出中间段l2分别为指数型、类国雄型、类悬镇线型和类余弦型，而l1=l3≠0，或l1≠0；或l3≠0的各种组合复合杆的参数计算式，并算出了其参数值，给出了主要参数曲线．测试了十组典型试件的谐振频率和放大系数，实验结果与理论值基本一致，本法可组合成许多适应各种用途的扭振复合杆     

几种扭振复合超声变幅杆的研究

对左、右段为圆柱型、中间段为变截面杆的三段式复合扭振超声变幅杆给出了频率方程和参数计算通式据此得出中间段l2分别为指数型、类国雄型、类悬镇线型和类余弦型，而l1=l3≠0，或l1≠0；或l3≠0的各种组合复合杆的参数计算式，并算出了其参数值，给出了主要参数曲线．测试了十组典型试件的谐振频率和放大系数，实验结果与理论值基本一致，本法可组合成许多适应各种用途的扭振复合杆     

旋转超声磨削平行砂轮复合变幅器设计与试验*

为了获得大负载平行砂轮复合变幅器的设计方法,将复合变幅器简化为复合变幅杆与多阶环盘组成。利用Mindlin中厚板理论,求解了各振动环盘的位移、转角、弯矩和剪力解析表达式,并通过复合变幅杆各振动单元间的力、位移的边界条件和连续条件,以及复合变幅杆和环盘两者结构间力与位移的耦合条件,建立了复合变幅器的数学模型和频率方程。针对频率方程进行编程求解 ,设计了平行砂轮复合变幅器。通过有限元仿真分析、实物阻抗特性试验、谐振试验验证。试验结果表明：平行砂轮复合变幅器的试际谐振频率、节圆位置与理论设计的误差小于5%,验证了其理论设计方法的正确性。为研制大负载平行砂轮复合变幅器提供了一种有效的设计方法。     

狭缝式环形超声聚能器的径向振动特性

对一种狭缝式环形超声聚能器的径向振动特性进行了研究。基于机电类比原理,通过引入面积比系数,推出了聚能器的径向振动机电等效电路及频率方程;得出了其径向位移振幅放大系数表达式。通过数值计算,探讨了聚能器第1、2阶径向共振频率及振幅放大系数与其半径比的关系;分析了狭缝长度、角度及数目对聚能器振幅放大系数及共振频率的影响,并进行了有限元仿真。研究表明,聚能器的振幅放大系数随其半径比的变化存在极大值,并随狭缝数量、长度及宽度增加而增大;而其径向共振频率则随三者的增加而减小,理论与有限元仿真及实验结果符合较好。      

幂函数型环形聚能器径向振动的等效电路

基于机电类比原理和变厚度薄圆环的平面应力方程,推导了幂函数型环形聚能器径向振动的等效电路、共振频率方程和位移放大系数。讨论了第一、二阶径向共振频率及相应的位移放大系数随圆环半径比的变化关系。结果表明,幂函数型环形聚能器径向振动的等效电路是一种非互易二端口等效网络;一阶和二阶共振频率随圆环内外半径比的增大而增大;一阶径向共振模式下位移放大系数随圆环半径比的增大先降低后升高,二阶径向共振模式下位移放大系数随圆环半径比的增大而降低,但二阶时的位移放大系数整体大于一阶,因此二阶径向共振模式具有更好的径向振动性能。用COMSOL有限元软件对解析理论分析结果进行了验证,仿真模拟结果与解析理论符合良好。根据幂函数型环形聚能器的等效电路模型,进一步设计了一种压电环形换能器,计算了第一、二阶径向共振频率、反共振频率及有效机电耦合系数,通过与COMSOL有限元软件模拟结果对比,符合良好。本文研究结果为幂函数型环形聚能器及压电环形换能器的工程应用提供了简明设计理论,文中研究结论可作为一种径向超声切割刀在超声工程中获得重要应用。      

Radial vibration of a slit-type annular ultrasonic concentrator

The radial vibration characteristic of an annular ultrasonic concentrator with multislits is studied.Based on the electro-mechanical analogy and by introducing an area ratio coefficient,the radial vibrational equivalent circuit and the frequency equation of the concentrator are derived.The radial displacement amplitude magnification factor of it is obtained.By numerical calculating,the relationship between the radial displacement amplitude magnification factor,the resonance frequency of the concentrator at the first and second resonance and its radius ratio are investigated.Also,the relationship between the radial displacement amplitude magnification factor,the resonance frequency of the concentrator and the length,the angle and the number of the silts are analyzed.It is illustrated that a maximum of displacement amplitude magnification factor of the concentrator appears with the increase of the radius ratio,and the amplitude magnification factor increase as the length,the angle and the number of the silts increase,while the radial resonance frequency of the concentrator decreases as the length,the angle and the number of the silts increase.The theoretical resonance frequencies are in good agreement with that of the FEM simulations and measurement.     

The role of load harmonics in audible noise of electrical transformers

Harmonic components in load currents have a larger impact on the load noise level of transformers than might be expected from their amplitude. There are several reasons for this larger impact: (a) the interaction of higher harmonics with the large fundamental load current at power frequency, (b) the increasing sound radiation efficiency with increasing frequency, and (c) the greater sensitivity of the human ear to higher frequencies, which is considered in sound measurements by applying the A-weighting filter. This paper describes the process of generation, transmission, and emission of load noise in the presence of load harmonics. A calculation scheme is presented that is able to estimate the noise increase and the noise spectrum of electrical transformers under non-sinusoidal load conditions. The proposed calculation scheme is applied to three practical examples.     

Investigations of the barbell ultrasonic transducer operated in the full-wave vibrational mode

In this paper, the resonance frequency equation and expression of displacement amplitude magnifications of a full-wave barber ultrasonic horn are obtained. By discussing the relationships between the displacement amplitude magnifications and the geometrical dimensions, the optimized design of the horn for the largest magnification is proposed, which is helpful to improve the radiation power and the transfer efficiency of the acoustic energy of the ultrasonic oscillatory system. Based on the optimized design of the horn, we introduced a barbell ultrasonic transducer operated in the longitudinal full-wave vibrational model and obtained the resonance frequency equations. For comparison, the resonance frequencies of the full-wave barbell horn and the full-wave barbell transducer are also analyzed by finite element method (FEM). It is shown that the values obtained by theoretical analysis and FEM are in good agreement with experimental observations. We hope that the research of this paper is helpful for the use of the barbell horn and transducer in the applications such as ultrasonic liquid processing.     

步进追频及恒振幅控制的超声电源设计

针对超声金属焊接过程中出现的负载变化导致谐振频率漂移和焊接振幅失恒问题,设计了一种基于步进追频及恒振幅控制的超声电源。在负载变化对谐振频率影响的研究基础上,根据FPGA-DDS步进追频原理设计了负载变化追频逻辑;结合全桥逆变电路的移相控制方式,研究了不同占空比下的最大输入电流与最大焊接振幅的关系,提出了基于输入电流反馈下的步进移相恒振幅控制方案;实验结果表明,负载变化追频逻辑实现了谐振频率快速变化下的动态实时追踪,解决了因频率失谐导致的焊接振幅非线性下降问题。同时,在加入了振幅闭环控制后,实现了焊接振幅相对极差稳定在10%以内。     

超声手术刀声学系统设计和实验*

为兼顾阶梯型变幅杆的高放大系数以及曲线过渡变幅杆突变截面处的高疲劳强度,本文提出了一种最速曲线过渡段的超声刀换能器。首先,基于等效电路法,设计了夹心式压电换能器的基本结构。在此基础上,结合超声刀的工作条件和材料特性,对换能器基本结构进行精确设计;然后,利用FEM法和实验法获取了换能器纵振频率以及频率响应曲线,进一步证明了本文所设计换能器的有效性;最后,对所设计的换能器进行了一系列测试,结果表明：测定了无负载换能器谐振频率与输出端振幅,与设计目标、仿真结果相吻合;连接负载后凝血,切割效果良好。     

超声纵波在孔隙砂岩中的传播特性实验*

为了深入研究不同入射频率下超声波纵波在砂岩中的传播特性,以灰、红、褐砂岩为研究对象,开展了基于50 k Hz、100 kHz、200 kHz、500 kHz和1000 kHz入射频率的超声波纵波测试。提取纵波波速、幅值衰减系数、主频幅值、波形能量这些声学参数,结合入射频率和砂岩孔隙率进行传播特性的相关性分析。结果表明,在3种砂岩中,纵波波速随入射频率增大呈非线性增长趋势,砂岩种类不同,波速增长规律也不同;波形能量和主频幅值随入射频率呈指数关系降低;灰、红砂岩纵波波速随孔隙率越大,下降速率越大,褐砂岩在同级孔隙率下波速差异性明显。建立了基于3种砂岩的入射频率和幅值衰减系数的回归方程;基于200 kHz的入射频率,建立了砂岩孔隙率于波形能量的回归方程,实际测试中建议采用200 kHz作为入射频率,可较好兼顾检测的灵敏度和探测距离。研究成果为建立声学参数与砂岩抗压强度之间的内在联系提供了更多数据支撑,为实际物探测试中超声波入射频率的选择提供参考。