超声波电源频率跟踪系统的研究

当超声波换能器在长时间工作时,受发热的影响,谐振频率会发生漂移。为了保证超声波换能器一直工作在最佳谐振状态,本文提出了一种自动频率跟踪系统。该系统通过鉴相电路检测超声波换能器电压与电流的相位和方向,将PI调节频率变化大小与相位关系调节频率方向相结合来实现精确的频率跟踪。经过试验验证,该方法能够精确锁定最佳谐振频率并跟踪上超声波换能器的动态变化。     

锁相环跟踪超声振动系统谐振频率的改进

锁相式频率跟踪超声发生器的频率跟踪范围较小且易出现死锁现象,通常要人为重新启动,系统才能恢复跟踪状态,在应用时会带来麻烦。根据超声振动系统的等效电路研究其阻抗特性,并通过实验绘制换能器特性曲线,分析应用CD4046跟踪串联谐振频率容易造成死锁的具体原因,提出带解锁的频率跟踪系统的方案。实验结果表明此方案有较大的跟踪调节范围与较强的适应负载变化的能力,对超声发生器的具体应用有一定的参考意义。     

电磁力参数自寻优的转子多频振动主动抑制

提出一种转子多频振动的在线主动抑制方法,该方法利用电磁作动器向转子施加多个与转子振动频率相匹配的旋转电磁力,通过在线自寻优的方式确定电磁作动器的控制电流相位和幅值,使施加的多个频率成分的旋转电磁力能够削减转子的多频振动幅值,实现转子系统的多频振动在线抑制。首先建立了转子-轴承-电磁作动器系统动力学模型;提出一种转子系统多频振动的主动抑制方法,对该方法的有效性和可行性进行了理论推导;建立了电磁作动器控制电流相位和幅值的寻优模型,提出一种控制电流相位的整周寻优策略;随后搭建实验装置,进行了实验研究,理论推导和实验结果均表明该方法能够实现转子的多个频率成分振动的主动抑制。     

相位反馈自动频率跟踪发射机

叙述了利用发射电流的相位特征构成反馈系统,实现发射机自动频率跟踪的基本原理和实施方法。实验表明,本文的方案可使换能器电压和电流的相位在28KHz±250Hz范围内完全一致,保证换能器始终工作在谐振频率上。     

纵-扭复合超声振动加工系统设计及频率简并研究

纵-扭复合超声振动加工技术在硬脆性材料的加工中受到越来越多的重视,针对该种需求,设计了一种纵-扭复合超声振动加工系统,基于有限元方法对该类系统普遍存在的频率简并问题进行了研究。利用数值解析方法设计出超声换能器和超声变幅杆,之后在变幅杆上做出螺旋槽,一部分纵向振动转换为扭转振动;以目标频率附近的纵、扭谐振频率尽量接近为原则,利用有限元软件分析系统的结构参数对纵、扭谐振频率的影响规律,实现频率简并;在此基础上对系统进行模态分析和瞬态动力学分析,结果表明系统可以实现纵-扭复合超声振动,验证了此种频率简并方法的有效性和实用性。     

晶振减振系统的分析

锁相频率源中,晶振作为参考信号对相噪有着重要的影响。在振动条件下,晶振和锁相频率源输出频率的相位噪声恶化。本文详细分析了振动与相位噪声之间的关系。并得到了减振系统的数学模型,经试验验证根据该模型设计的减振系统能有效的减小振动条件下锁相频率源相位噪声的恶化。     

超磁致伸缩振动器谐振频率自感知机理研究

振动系统工作在谐振频率处则其工作效率最高,但由于受到负载、温度等因素的影响,其谐振频率往往会发生漂移,为了实现对振动系统工作频率的自动调节,提高系统的工作效率,提出采用搜索振动系统速度阻抗的方法,在无需安装检测谐振频率传感器的条件下,实现振动系统谐振工作点的自感知,并能快速、方便地自动跟踪系统的谐振频率。设计了超磁致伸缩振动器,并给出了振动器机械阻抗的表达式;在分析超磁致伸缩材料磁-机耦合关系的基础上,建立了超磁致伸缩振动系统的速度、阻抗及所受外力的自感知模型;在研制的实验系统上,验证了振动系统谐振频率自感知方法的可行性与正确性。     

二端口网络在功率超声设计中的应用

依据二端口网络理论,利用力电类比方法,从变截面杆作一维纵振动的运动方程出发,建立了机械二端口网络的数学模型及传输特性方程,进而给出了功率超声振动系统中各部分的二端口网络传输参数;建立功率超声频率跟踪及恒定功率控制方案的网络分析方法。     

基于STM32的大功率超声电源的研究

油田近井处理需要的大功率超声电源具有容量大、频率稳定、输出功率因数高的特点。在实际应用中,为了有效地将井内激发的大功率超声振动能量通过套管井的井内液体、套管和水泥环送入声学参数不同的地层,套管井的声学参数需要随时测量,作业参数需要实时调整。为此,选择了数据处理功能比较强的STM32单片机。基于其精确的定时器实现脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation,PWM）输出,提供IGBT工作所需的波形;用其双路A/D同时采集作业时的电流和电压波形;用数字信号处理的方法快速处理电压和电流波形的相位差及幅值比,以此为基础调节发射波形的频率,使其与套管井条件下探头的谐振频率一致,实现频率跟踪和有效激发;借助于理论模型进一步处理电压和电流波形,获得套管井条件下的声阻抗,以便监测作业过程中套管井的声阻抗变化。     

基于STM32的频率和功率可调非接触供电超声电源设计

为解决接触式供电中漏电、磨损、电能传输不良以及超声电源在加工中谐振频率漂移、跟踪速度慢、输出功率不稳定等问题,文章以STM32单片机作为主控系统,设计了一种频率和功率可调的非接触供电超声电源。根据采样反馈电路采集的电压电流相位差和有效值信号,采用锁相环和模糊比例积分(Proportional Integral, PI)控制相结合的方法对频率进行跟踪,并用传统 PI 控制法控制输出功率。在 Matlab 软件中搭建电源仿真模型,利用附加电阻、附加电感和附加电容模拟加工过程中负载参数的突变,对有频率调节和功率控制子系统以及没有子系统的电源模型分别进行仿真。仿真结果表明,电源输出功率稳定在 248 W。当负载参数发生改变时,电源的谐振频率发生漂移,经过频率自动跟踪子系统的调节后,电源在 0.01 s 后重新回到谐振状态。此控制算法实现了频率快速跟踪和功率控制。     

超声珩齿中弯曲振动变幅器的设计与研究

齿轮是超声珩齿加工中的一类特殊负载,它的振动特性和固有频率对系统的加工频率影响很大.由于齿轮的尺寸和质量大,且其尺寸不能任意更改,现有的振动系统设计理论,如全谐振设计理论、质量置换理论、局部共振理论等,都不能适用于这一情况.为解决此问题,应用Mindlin中厚板理论、变幅杆设计原理和机械阻抗理论对由变幅杆、齿轮组成的变...     

压电陶瓷圆环与金属圆环复合振动系统的径向振动

对由压电陶瓷圆环与金属圆环组成的复合振动系统的径向振动特性进行了研究。首先分析了压电陶瓷圆环和金属圆环的径向振动,推出了其各自的机电等效电路。在此基础上,得出了压电陶瓷圆环与金属圆环复合振动系统的机电等效电路及其共振频率方程。探讨了系统的共振及反共振频率、有效机电耦合系数与其几何尺寸之间的关系。研究表明,当复合振动系统的壁厚比增大时,其共振及反共振频率升高。对于换能器的第一阶径向振动,其有效机电耦合系数随壁厚比的增大而单调减小;对于换能器的第二阶径向振动,其有效机电耦合系数随壁厚比的增大会出现一个极大值,而且,在一定的壁厚比范围内,换能器第二阶径向振动的有效机电耦合系数大于第一阶径向振动的有效机电耦合系数,这一规律与传统的有关压电换能器的分析理论及结果是有所不同的。     

Ultrasonic imaging of internal vibration of soft tissue under forced vibration

An imaging system that can display both the amplitude and phase maps of internal vibration in soft tissues for forced low-frequency vibration is described. In this method, low-frequency sinusoidal vibration of frequency under several hundred hertz is applied from the surface of the sample and the resulting movement in it is measured from the Doppler frequency shift of the simultaneously transmitted probe ultrasonic waves. Basic experiments are carried out by using 3.0-MHz ultrasonic waves. The two-dimensional maps of the amplitude and phase of internal vibration are shown, and the velocities of vibration are measured for some samples as well as in vivo.     

旋转超声内圆磨削砂轮变幅器的设计与试验研究

砂轮变幅器是旋转超声内圆磨削谐振系统的关键部件,其设计质量直接影响超声磨削的工艺效果。但目前内圆磨削砂轮变幅器缺乏较为完善的理论分析模型。为提高砂轮变幅器理论分析模型的通用性,基于非谐振设计理论建立了纵向谐振砂轮变幅器的理论分析模型,并利用砂轮变幅器各振动单元间的力、位移连续条件与边界条件推导了其频率方程。然后,针对频率方程进行编程求解,并通过ANSYS有限元仿真分析进行验证。最后,加工制作了纵向谐振砂轮变幅器,并开展阻抗特性分析试验、超声谐振试验和振动位移测量试验,分析了其谐振特性。试验结果表明,所研制的砂轮变幅器的谐振试验频率与理论设计频率一致,其输出端振动位移的试验值与仿真值的相对误差为7.83%,符合旋转超声内圆磨削的要求,验证了理论分析模型求解的正确性。研究结果为旋转超声内圆磨削砂轮变幅器的设计提供了便捷且有效的方法。     

超声波测振信号的能量算子解调方法

连续超声波束遇到振动物体表面会产生多普勒效应,反射超声波信号是受振动信号调制的非线性调相信号。对反射波信号求导获得调幅调频信号,再采用能量算子对称差分法,求取该调幅调频信号的瞬时幅值及瞬时频率。鉴于超声波反射回波信号存在幅值衰减现象,而超声波频率不易受外界干扰,故通过调幅调频信号的瞬时频率提取被测物体的振动速度,并由振动速度求导得到振动加速度。同时,从幅值及频率两个方面探讨振动测量范围。仿真及实验结果表明:基于能量算子的超声波测振信号解调方法能有效地提取振动信号,与传统的相位解调方法相比,具有更大的测量范围。     

基于梳状扇形孔周期性结构的纵-扭复合模态超声振动系统

纵-扭超声振动系统可以提高加工效率与精度、增加表面强度,因而日益受到青睐,但是现有的纵-扭振动系统存在扭转分量较小,转化效率低等问题,基于此,论文对基于周期性结构的复合模态超声振动系统进行了研究,通过有限元仿真对复合模态周期性结构换能器的振动模态、谐振频率等特性进行分析验证。研究结果表明,两维梳状扇形孔周期和斜槽结构,可以增大纵、扭振振幅,位移旋度和剪切应力以及法向应力等,从而提高纵-扭转化能力。     

超材料混凝土单胞骨料的有阻尼自由振动特性研究

超材料概念的提出激发了功能混凝土的研究热潮,超材料混凝土的振动研究也成为热点之一。基于one-dimensional spring-mass system模型,建立了单胞骨料有阻尼自由振动的三维振动模型,模型中软涂层和砂浆均用弹簧等效代替,并计算了等效长度、等效刚度和等效阻尼。以单胞骨料为研究对象,用达朗贝尔原理导出有阻尼自由振动的非线性控制方程,获得系统的固有频率和振动解。用MATLAB软件编程进行算例分析,讨论初始条件、骨料内部尺寸及软涂层弹性模量等参数对固有频率和振动特性的影响。算例分析表明：非线性振动与线性振动中的无阻尼固有频率和有阻尼固有频率间的关系并不一致;阻尼对非线性振动固有频率的影响比线性振动的大;初速度对初相位的影响(非线性)比初始位移的大(“类线性”),初始条件既影响振幅,又影响固有频率,也会影响超材料混凝土抗冲击能力。减幅系数η随初始速度、软涂层弹性模量的增大而减小,随软涂层厚度的增大而增大,这可通过减小初始速度、增大软涂层弹性模量、增加重核的大小等方式降低减幅系数对超材料混凝土结构的影响。这对超材料混凝土抵抗高频荷载和冲击荷载的研究有工程指导价值。