CC BY
44КУСТИКА
шашг
Электронный журнал «Техническая акустика» http://www .ejta.org
2015, 4
А. Н. Неверов
Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ), г. Москва, 125164, Ленинградский пр, 64; e-mail: neverov_an@mail.ru
Экспериментальное исследование высокоамплитудных стержневых колебательных систем
Экспериментально показана возможность существенного повышения амплитуды колебаний стержневых ультразвуковых колебательных систем подбором элемента связи между преобразователем и инструментом. В сравнении с классической схемой построения ультразвуковой колебательной системой амплитуда выросла почти вдвое, а добротность системы - на порядок.
Ключевые слова: ультразвуковой преобразователь, колебательная система, продольные колебания, волновод, инструмент, резьбовое соединение
ВВЕДЕНИЕ
Обычно для повышения амплитуд продольных колебаний ультразвуковых преобразователей используются акустические трансформаторы - стержни переменного сечения [1-5]. Усиление в них достигается благодаря изменению волнового сопротивления вдоль оси стержня. В то же время существует и другая возможность -разделение функций преобразования электрических колебаний в механические и введения энергии упругих колебаний в обрабатываемый объект. При этом элемент связи между преобразователем и инструментом должен предотвратить внесение сопротивления потерь из низкодобротного преобразователя в высокодобротный инструмент. Тогда добротность инструмента почти не снижается, а амплитуда колебаний инструмента повышается.
Настоящая работа посвящена экспериментальному исследованию возможности повышения амплитуды колебаний путем подбора такого соединительного элемента.
1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА
Блок-схема экспериментальной установки приведена на рис. 1.
Исследуемая колебательная система состояла из двух соосных стальных стержней, соединенных при помощи стальной шпильки с резьбой М8х1 так, что акустический контакт между низкодобротным преобразователем и высокодобротным инструментом происходил только по ниткам резьбы соединительного элемента (шпильки).
Получена 20.04.2015, опубликована 25.05.15
Собственная частота преобразователя была равна 25,27 кГц, добротность - 180. Длина пассивного волновода изменялась от 111 до 43 мм, соответственно изменялась и его собственная частота. Эксперименты проводились со шпильками длиной 25 и 63 мм.
Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки
1 - преобразователь;
2 - инструмент;
3 - соединительный элемент (шпилька);
4 - бесконтактный виброметр; О - генератор;
А - усилитель; рБ - частотомер
Для каждой из построенных таким образом систем снималась амплитудно-частотная характеристика при постоянной амплитуде возбуждающего преобразователь электрического напряжения. С помощью полученных амплитудно-частотных характеристик определялись резонансные частоты и амплитуды колебаний при резонансе, которые сравнивались с параметрами контрольной колебательной системы, построенной из тех же волноводов, соединенных непосредственно встык.
2. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Пример экспериментальных амплитудно-частотных характеристик приведен на рис. 2.
В представленном диапазоне частот контрольная система имеет одну резонансную частоту приблизительно 24,25 кГц, соответствующая уравнению собственных частот двухстержневой системы, когда стержни соединены «встык» и акустический контакт идеален:
w1 sin kjl1 cos k2l2 + w2 sin k212 cos k1l1 = 0,
где k = ®/c - волновое число, c - скорость звука в стержне, l - длина, w = pcS -характеристическое сопротивление, р и S - плотность и поперечное сечение стержней -преобразователя и инструмента, индексы 1 и 2 относятся к преобразователю и инструменту соответственно.
У предложенной нами системы наблюдались две резонансные частоты приблизительно 23,9 и 25,7 кГц.
Рис. 2. Амплитудно-частотные характеристики высокоамплитудной и контрольной
систем
Первая из этих частот близка к собственной частоте инструмента. Добротность двухстержневой системы при этом очень велика (больше 1000) и определяется, по-видимому, высокодобротным инструментом; амплитуда колебаний существенно выше, чем в предыдущем случае. Вторая резонансная частота 25,7 кГц близка собственной частоте преобразователя, добротность системы на этой частоте определяется низкой добротностью преобразователя, амплитуда колебаний инструмента невелика.
Таким образом, здесь имеет место «расщепление» собственных частот, характерное для связанных систем.
Аналогичная картина наблюдалась и при других соотношениях собственных частот преобразователя и инструмента. Перечислим общие черты амплитудно-частотных характеристик исследованных колебательных систем:
• резонансная частота контрольной системы размещалась между резонансными частотами предлагаемой системы;
• на частоте возбуждения, близкой к собственной частоте преобразователя, добротность и амплитуда колебаний были того же порядка, что и у контрольной системы;
• на частоте возбуждения, близкой к собственной частоте инструмента, добротность и амплитуда колебаний определялись высокой добротностью инструмента, т. е. существенно превосходили соответствующие показатели контрольной системы.
Экспериментальные зависимости резонансных частот предлагаемой ультразвуковой колебательной системы fp от соотношения собственных частот инструмента & и преобразователя & приведены на рис. 3.
£рЯи
♦ Ь пп = 25 мм —■—Ь пп = 63 мм
Рис. 3. Зависимости нормированной резонансной частоты высокоамплитудной системы Гр от отношения собственных частот инструмента & и преобразователя Гп при
различной длине шпильки Ьшп
Резонансная частота системы (частота, на которой амплитуда колебаний максимальна) очень близка к собственной частоте высокодобротного инструмента.
Лишь при очень значительной разнице собственных частот инструмента Ги и преобразователя Гп и при большой длине шпильки Ьшп эта частота смещается в сторону собственной частоты преобразователя Гп.
Экспериментальные зависимости амплитуд колебаний предлагаемой ультразвуковой колебательной системы А от соотношения собственных частот инструмента Ги и преобразователя Гп приведены на рис. 4 (Ао - амплитуда колебаний системы, составленной из тех же преобразователя и инструмента, что и предлагаемая, при их стыковом соединении).
Наибольшее увеличение амплитуды получено тогда, когда собственная частота инструмента Ги была чуть больше собственной частоты преобразователя Гл. Заметим, что выигрыш по амплитуде колебаний наблюдался вплоть до значений Ги/Гп ~ 1,5, когда длина шпильки была 63 мм, и до значений Ги/Гп ~ 1,8 для короткой шпильки 25 мм.
Приведенные результаты экспериментов показывают возможность существенного повышения амплитуды колебаний системы, состоящей из низкодобротного преобразователя и высокодобротного инструмента посредством введения между ними элемента связи с высокой податливостью.
4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1
0,5 0
А/Ао
0,8
1
м I— - г
% Г\ — -в
--а.- fиТп -
1 1,2 -♦— L пп = 25 мм
1,4 1,6
-■— L пп = 63 мм
1,8
Рис. 4. Зависимости нормированных амплитуд колебаний инструмента от отношения собственных частот инструмента & и преобразователя Тп при различной длине
шпильки Ьшп
3. КОЛЕБАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ПОВЕРХНОСТНОГО ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ
На рис. 5 приведены две схемы построения колебательных систем для ультразвукового поверхностного пластического деформирования: общепринятая классическая [2] (а) и предлагаемая (б). Схема предлагаемого соединения преобразователя 1 и инструмента 3 при помощи шпильки 6 аналогична приведенной на рис. 1 (сноска справа внизу).
В предлагаемой схеме преобразователь 1 и инструмент 2 соединены шпилькой 6, акустический контакт между преобразователем и шпилькой, инструментом и шпилькой осуществляется только по ниткам резьбы. Непосредственный стыковой акустический контакт между преобразователем и инструментом отсутствует.
Определение основных характеристик колебательных систем проводилось на установке, блок-схема которой аналогична приведенной на рис. 1. Установка состояла из ультразвукового генератора, усилителя, частотомера, осциллографа, бесконтактного виброметра и исследуемых систем.
Для каждой из систем снимались амплитудно-частотные характеристики при постоянной амплитуде питающего электрического напряжения, по которым определялись резонансные частоты, добротности и амплитуды колебаний при резонансе.
а б
Рис. 5. Схемы построения колебательных систем для ультразвукового поверхностного
пластического деформирования
а - классическая, б - предлагаемая
1 - преобразователь, 2 - устройство крепления и прижима УКС к упрочняемой поверхности, 3 - инструмент, 4 - устройство крепления деформирующего элемента, 5 - деформирующий элемент, 6 - элемент связи (шпилька)
4
3
6
2
1
Собственная частота преобразователя равнялась 22,4 кГц, максимальная амплитуда колебаний 5,2 мкм, добротность приблизительно 80. Расчетная собственная частота ступенчатого инструмента 22,3 кГц.
Классическая колебательная система, составленная из этих элементов, имела резонансную частоту приблизительно 22,3 кГц, амплитуду при резонансе 12,3 мкм, добротность около 120.
Предлагаемая нами колебательная система, составленная из тех же преобразователя и инструмента, имела максимальную амплитуду 22 мкм на частоте 23,5 кГц, добротность системы при этом равнялась 1450.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В работе экспериментально показана возможность существенного повышения амплитуды колебаний стержневых систем. Конечно, описанный способ не исключает применения обычных концентраторов. Например, в схеме колебательной системы для ультразвукового поверхностного пластического деформирования сочетались оба способа.
К недостаткам разработанной системы относятся, прежде всего, ее высокая импеданс-чувствительность и трудность настройки на максимальную амплитуду. Связано это, очевидно, с высокой добротностью системы, полоса пропускания составляет всего 16 Гц. Тем не менее, вполне очевидна перспективность применения описанных колебательных систем в установках ультразвукового поверхностного пластического деформирования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Меркулов, Л. Г. Расчет ультразвуковых концентраторов [Текст] / Меркулов Л.Г // Акустический журнал. - 1957. - Т. III. - № 3. - С. 23Q-23S.
2. Казанцев, В. Ф. Физические основы технологического применения ультразвука: учеб. пособие [Текст] / В. Ф. Казанцев. - М.: МАДИ (ГТУ), 2QQS. - 1Q2 с.
3. Senda, T. Propagation of Longitudinal Plastic Waves Produced by Tensile Impact / T. Senda // Bull. Japan Soc. of Prec. Eng.. - 1979. - Vol. 13. - N 1. - P. 13-19.
4. Lesniewski, P. Discrete Component Equivalent Circuit for Webster's Horns / P. Lesniewski // Applied Acoustics. - 1995. - N 44. - P. 117-124.
5. Хмелев, В. Н. Совершенствование конструкции резонансного концентрирующего звена с увеличенной поверхностью излучения [Электронный ресурс] / В. Н. Хмелев, С. С. Хмелев, Р. В. Барсуков и др. // Электронный журнал «Техническая акустика». -2Q12. - 7 - 12 с. Режим доступа: http:ejta.org.ru
