机械论文：超声波疲劳振动系统的分析与设计

  2.1 引言

  自从上世纪 Langevin 发明了夹心式超声换能器以来，功率超声技术已经过很多国内外学者的研究，各科研机构都发展了自己的实验标准和实验规范，同时许多新型超声疲劳振动系统也应运而生。超声的本质是高于人耳察觉频率极限的高频振动，而超声疲劳技术是以工程材料为高频振动传播介质实现对待测试样的高速加载。本章从超声疲劳振动系统的组成及其工作原理入手，分析连续振动体横向与纵向振动机理，并以此为基础在应用层面上设计超声疲劳振动系统中的末端试件部分，为后章换能器其他部分的设计问题提供理论依据。

  2.2 超声振动系统的构成及其工作原理

  虽然各科研机构发展了自己的超声疲劳试验标准和试验规范，研制出结构各不相同的超声疲劳试验机，但是由于其超声波发生原理相似，故大部分超声振动系统的结构和组成部分都具有相似性。超声疲劳振动试验设备包含超声波激振器、超声疲劳振子、辅助控制装置、检测装置和固定装置（机架）超声疲劳振动系统各部分功能详述如下：（1）超声波激振器又称为超声波发生器、超声电源。其作为整个超声疲劳试验装置的能量和动力来源，由一个电源箱及内置电路组成，主要功能为将220V50Hz 的市电转换为 20k Hz 以上的交流电，并输出给超声疲劳振子。通过调整激振器的输出电功率来改变超声振子的振幅。有些配置较高的激振器拥有与控制系统或上位机通信的端口，可以实现功率调节、频率追踪、闭环反馈控制等功能。（2）超声疲劳振子包括电声换能器、超声放大器和疲劳检测试件。①电声换能器，电声换能器的功能是将由超声波激振器输出的高频交流电转换为相应频率的机械振动。对于不同的电声转换原理和振动形式，换能器也有不同的类型和结构。关于换能器的类型已在 1.1.2 节说明。②超声放大器，超声放大器又称为变幅杆。一般来说，电声换能器转换的机械振动振幅很低，通常小于 20μm，而超声振动试验要求输出的振幅达到几十微米甚至更高。为了提高电声换能器的振幅，最有效的方法是在换能器前安装一级到两级变幅杆。变幅杆对换能器输出端的振幅有放大作用，放大因数用变幅杆前后振速比 表示。③疲劳检测试件，作为疲劳试验中被检测部分，疲劳试件的材料和结构与试验要求有关。如果要检测不同受力状况下给定材料的零件性能，试件要做成不同的结构，以与不同的受力状态相对应。。（3）辅助控制装置，超声疲劳试验过程中机械端与电端通常处于共振状态，以用较少的输入功率获得最大的应力幅，实现能源的最大化利用。但是超声振子处于大功率共振状态时电端与机械端阻抗很容易发生变化，导致共振频率漂移，输出应力值也会相应变化。辅助控制装置可以实现频率的自动追踪以及激振器输出功率的调整，并处理由传感器检测出的数据。本章以超声疲劳试验试件设计为侧重，阐述了超声疲劳试验系统的装置组成及工作原理，并对连续振动体的两种常见振动方式——纵向振动和弯曲振动的振动机理进行了理论探究。在此基础上推导三种试件——纵向振动狗骨棒形试件、弯曲振动对称悬臂梁试件以及镶嵌形试件的振速和应力分布、频率方程以及应力位移系数等参数。最后以理论设计——有限元验证——参数优化为步骤设计了三种试件的尺寸和结构，为设计超声疲劳系统其余部分提供理论基础。