超声振动（精选7篇）
超声振动 篇1
0 引言
21世纪以来,全球资源短缺问题和环境污染日益严峻,而纤维素乙醇是一种清洁且资源丰富的可再生能源。生产纤维素乙醇的原料广泛,如农林废弃物、能源作物等[1]。目前纤维素乙醇的大规模生产技术尚未成熟,主要问题之一是低密度生物质导致运输和存储成本较高[2]。传统的生物质固化成型技术是将各类生物质原料经粉碎、干燥、高压成型等环节使原来分散的、没有一定形状的原料压缩成具有一定几何形状、密度较大的成型颗粒[3]。本文采用超声振动辅助制粒,超声波通过变幅杆产生高频机械振动对秸秆表面产生冲击。唐爱民[4]研究发现,超声波作为预处理能使木浆纤维的形态结构和超微结构发生明显变化,对提高纤维素酶的可及度和化学反应性能非常有利,最终会提高生物质乙醇的产量。张琦等人研究发现当超声功率从30%提升至50%时,颗粒质量显著提高[5],但并未明确超声制粒时超声功率与振幅之间的关系。
本文将超声制粒机与压力机相连接,通过单因素实验对这种新型制粒方法制成的颗粒进行分析,研究了超声功率对苜蓿草颗粒质量(密度、抗碎性、抗渗水性)的影响,明确了超声功率与振幅之间的关系,为这种新型制粒方法的研究提供理论补充。
1 材料与方法
1.1 实验过程
超声振动辅助制粒成型工艺流程图如图1所示。从扬州大学农场购买的苜蓿草,使用微型植物粉碎机(型号FZi02,天津市泰斯特仪器有限公司,中国)进行粉碎,粉碎机筛孔直径为1.5 mm。将粉碎后的苜蓿草取10 g放入105℃干燥箱(DHG-92240A,上海精宏实验设备有限公司,中国)中干燥直至恒重,测定苜蓿草颗粒含水率为12%,李美华等人研究表明在生物质致密成型技术中生物质含水率在5%~15%时成型效果更佳[3],所以本次试验直接选用含水率为12%的苜蓿草。称取2 g苜蓿草装入制粒腔中,使用定时器设置压制时间(压制时间90 s,待机时间120 s),压力机将变幅杆压头调整至基准面(模具上表面)以下16 mm,通过改变超声功率比来改变超声功率(超声功率比是指键合时所设定超声功率与最大可调功率的比值),试验中的超声功率比分别设置为:20%、40%、60%、80%。等待超声发声器工作90 s后提升变幅杆,取出颗粒。当变幅杆以32 mm/s下行16mm时,苜蓿草颗粒受力变化如图4所示。当超声制粒机开始工作时,苜蓿草表面受到15~20 N的力。
制粒工艺装置(如图2所示)包括:压力机伺服电机控制系统(型号DNS100,长春机械科学研究院有限公司,中国)、超声波系统包括电源(将50 Hz的市电转换为约18 000 Hz的脉冲电)、超声波发生器、超声波换能器(将高频电能转换成超声波振动、超声最大功率为1 k W)、指数型变幅杆(底部直径为20mm)和颗粒模具。如图3所示模具制粒腔的直径为20.6 mm,比变幅杆直径稍大,制粒腔深度为36 mm,在制粒腔中放入直径为20 mm、高度为10 mm的圆柱体,当颗粒成型后通过直径为10 mm的孔,将颗粒顶出。超声制粒机由超声波发生器发出高频振荡信号,通过换能器转换成高频机械振荡[7],再通过变幅杆将机械位移迅速放大并将能量集中对苜蓿草颗粒进行制粒。
1.2 测量方法
1.2.1 颗粒密度
成型颗粒的密度是反映成型块物理性质的重要指标之一。选取3个样品,在假设成型颗粒为圆柱体的前提下,用游标卡尺测其长度l和直径d,并用天平称其质量m,生物质颗粒密度ρ按公式(1)计算[8]。公式如下:
式(1)中ρ表示颗粒密度(kg/m3),m表示颗粒质量(kg),d表示颗粒直径(m),l表示颗粒长度(m)。
1.2.2 颗粒跌碎性
成型颗粒在运输或移动过程中会因跌落损失一定的质量,成型颗粒跌落后残存的质量百分数(即总质量与损失量的差值除以总质量)反映了产品的抗跌碎能力的大小。在本实验中称取制粒形成的颗粒m0(约2 g)的成型颗粒放入塑料袋中,将其置于2 m高处后落在水泥地上,共落下2次,称量碎料质量m。生物质颗粒抗跌碎率v按公式(2)计算[8]。公式如下:
式(2)中:v表示颗粒碎屑与原质量的百分比;m0表示颗粒原有质量(kg);m表示颗粒跌落后的质量(kg)。
1.2.3 颗粒吸水性
成型颗粒的抗吸水能力是评价其稳定性的一个重要指标,耐水浸能力差的成型颗粒会给运输、储存带来不便,需要增加防水防潮投资。在本实验中称取成型颗粒质量m1,将其放入盛有蒸馏水的烧杯中,浸没10 s之后取出,拭去表面水珠之后,称其质量m2。生物质颗粒的吸水率v1按公式(3)计算[8]。公式如下:
式(3)中:v1表示颗粒吸水性;m1表示颗粒原有质量(kg);m2表示颗粒放入水后的质量(kg)。
1.2.4 超声振幅的测定
超声变幅杆振幅位移是表征超声系统输出声功率大小的重要性能指标[8]。本实验使用激光位移传感器(LK-G5000,基恩士(中国)有限公司,日本),开启超声发生器并将控制器置于超声变幅杆下,待控制器显示为绿色时依次调节超声功率,从电脑LK-Navigator 2软件中导出各时间段的的超声振幅数据。
2 测试结果与分析
2.1 超声功率与超声振幅之间的关系
超声振幅的大小不仅反映了超声功率输出的大小,而且反映了发生器、换能器、变幅杆和工具各级联环节频率和电学匹配的效果好坏[8]。实验结果表明超声振幅超声振幅随超声功率的增加不断增加,如图5所示在超声功率为10%时超声振幅最小且为0.016 mm,超声振幅在超声功率为80%时,超声振幅最大且为0.033 6 mm。
2.2 超声功率对松弛密度的影响
超声功率与颗粒密度的测试实验数据见图6数据显示,使用10%超声功率时,压制颗粒的密度较低,只有425.6 kg/m3;使用10%~40%超声功率时,颗粒的密度增加至520.77 kg/m3左右;使用40%~60%超声功率时,颗粒密度持续上升至524 kg/m3左右;使用60%~70%超声功率时,颗粒密度显著增加,达到575 kg/m3,使用70%~80%超声功率时,颗粒密度仍有少量提升。这是因为随着功率的不断增加,超声振幅也在变化。总体来说,颗粒的密度会随着超声功率的升高而增加,在制粒过程中应尽量选择中等超声功率(60%~70%),这是因为能够在保证颗粒密度的同时节约电能消耗。
2.3 超声功率对颗粒抗跌碎性的影响
跌碎率测试实验数据见图7所示,数据显示,使用20%超声功率的颗粒的跌碎率大于50%;随着超声功率的增加,颗粒的抗跌碎性能力逐步增加,在超声功率为80%时颗粒抗跌碎性达到最高为82%。Song X[9]等人发现随着超声功率的增加加大了麦秆颗粒粒子间的接触面积,并且超声振动产生的热量使麦秆颗粒粒子局部熔化,且与其他部分形成更加结实的分子键。在本实验中伴随超声功率的增加,超声振幅也在不断增加,加大了苜蓿草颗粒粒子间的接触面积,并且超声振动产生的热量使苜蓿草粒子局部熔化,且与其他部分形成更加结实的分子键。
2.4 超声功率对颗粒吸水性的影响
颗粒吸水性测试实验数据见图8所示,数据显示,超声功率越大,颗粒吸水率越低。当使用10%超声功率时苜蓿草颗粒吸水率较高,吸水能力较强;使用30%~50%超声功率时,颗粒的吸水率有明显的下降,颗粒吸水能力明显下降;在使用80%超声功率时,颗粒的吸水率比其他功率都低为42.3%。这可能是因为超声功率越大,颗粒密度越大,导致颗粒粒子间的间隙越小,相对吸水率越小。在超声振动辅助制粒时,70%的超声功率产生的颗粒吸水率较低。
3 结论
本文通过单因素试验研究超声功率对颗粒个体密度、跌碎率、吸水率的影响。实验显示,超声功率对颗粒个体密度、跌碎率、吸水率有显著的影响。
3.1 颗粒的密度随超声功率的增加而增加,颗粒密度从425.64 kg/m3升至576.23 kg/m3。
3.2 颗粒的抗跌碎性随超声功率的增加而增加,颗粒抗跌碎性从50%升至82%。
3.3 颗粒的吸水性随超声功率的增加而降价,颗粒吸水性从73.7%降至42.3%。
3.4 苜蓿草颗粒在含水率为12%时,建议超声振动辅助制粒使用70%的超声功率会获得较高的颗粒密度、较高的抗跌碎率、较低的吸水率。
摘要：以苜蓿草为原料并利用超声振动辅助制粒。通过单因素实验研究超声功率对颗粒质量(密度、抗碎性、吸水性)的影响。实验结果表明,成型颗粒的密度、抗跌碎率随超声功率的升高而升高,成型颗粒的吸水性随超声功率的升高而降低。当使用70%超声功率(超声振幅为0.031 mm)制成的苜蓿草颗粒颗粒质量最优,颗粒密度达到最高值为575.84 kg/m3,抗跌碎率达到最高值为80%,吸水率降低为最低值45.6%。
关键词：超声波,生物质,密度,抗碎性,抗渗水性
参考文献
[1]胡徐腾.纤维素乙醇研究开发进展[J].2011,30(1):137-143.
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基于振动-超声法测量肌肉硬度 篇2
骨骼肌的硬度,作为可以同时在主动收缩和被动拉伸情况下被测量的肌肉属性,已经被证明对于肌肉的工作效率起着非常重要的作用[1]。肌肉硬度会在某些生理动作,如自主收缩,或某些病理条件,如痉挛,抽搐和水肿等情况下发生变化。因此,量化的肌肉硬度测量有助于增进对骨骼肌的功能的了解。目前,已经有多种方法被用于肌肉硬度测量。
触诊是一种被广泛用于临床检测组织硬度变化的方法。模仿触诊而开发的定量硬度测量设备很早就已出现[2]。例如,软组织超声触诊系统(Tissue Ultrasound Palpation System,TUPS),包括一个由超声换能器和精密压力传感器串联而成的手持探头,被测组织的硬度由压力与形变线性关系的斜率以及相应的数学模型确定[3]。虽然这类设备在实用中表现出不错的可靠性,但并不适用于较深的肌肉组织。
一些基于超声的方法也被用于测量组织硬度,比如超声弹性成像(Elastography),通过施加一个缓慢和小幅度的压缩过程,得到表示组织应变的二维图像[4]。这种方法对于检测正常组织内的小块病变十分有效,但它并不是一个定量的测量方法。对于弥漫性病变引起的组织硬度变化,需要直接测量组织的弹性系数,比如杨氏弹性模量或者剪切弹性模量,以确定病变的程度。
理论上,对于各向同性的胡克弹性材料,剪切模量μ是与剪切波速c相关的:
其中,ρ是弹性材料的密度。因此,测量某个频率的剪切波波速可以计算出相应的剪切模量。而剪切波速可以由沿着传播方向的两点间的距离除以传播时间,或者由二维应变图像中波长来计算[5]。
Sonoelastography方法使用低频的机械振动来产生剪切波,并利用多普勒原理对组织的应变成像。这一方法被用于测量股四头肌的硬度,并且证明了肌肉剪切模量与主动收缩水平具有正相关性[6]。然而,Sonoelastography需要很长的数据采集时间,容易导致肌肉疲劳。因此,它并不适合高收缩水平下的肌肉硬度测量。
与之相反,瞬时弹性成像法(Transient Elastography)的测量几乎可以实时完成。它是将一个一维超声波换能器串联在振动头上,所以其波速测量方向是与振动方向一致的,也就是垂直于组织表面的[7]。这一方法曾被用来测量肱二头肌和腓肠肌的肌肉硬度,并且证明了在垂直于肌纤维的方向上,肌肉硬度也与其收缩水平正相关。目前,瞬时弹性成像法已经被扩展到二维平面上,被称为超音波剪切成像法(Supersonic Shear Imaging)[8]。它在测量硬度的同时,还可以利用频散曲线估测组织的粘度。但是,这种技术需要超声成像设备具有很高的帧频(最高达10000帧/s),这在现有的商用超声成像设备上很难实现。同时,由于成像范围以及帧频的限制,它在测量超过100k Pa的硬度时会饱和,所以依然不足以测量高收缩水平下的肌肉硬度。
另一种被称为剪切波离散度超声测量计(Shear-wave Dispersion Ultrasound Vibrometry,SDUV)的技术则被用来测量垂直于振动方向上的组织硬度[9]。它使用一道聚焦超声波束在一定深度的组织内产生剪切波,同时使用另一道探测波束,在临近位置探测剪切波的传播情况。剪切波速由两道超声波束的距离除以剪切波传播的时间得出。该技术已经在离体测量中得到验证,但在使用普通超声设备同时产生聚焦波束和探测波束的尝试中并不成功,原因是聚焦波束受到辐射能量的限制,无法在较深的组织中产生足够幅度的剪切波。
磁共振弹性成像技术(Magnetic Resonance Elastography,MRE)是一种基于相位对比的磁共振成像技术,可以探测组织中微小幅度的剪切波传播[5]。相对于超声,MRE在穿透深度上没有任何限制,而且可以提供高分辨率的图像。但是,除了成本较高外,MRE完成一次数据采集也需要较长的时间(大约1~3min),这极大地限制了其在测量高收缩水平下肌肉硬度中的应用。
如上所述,此前的研究已经初步验证了肌肉硬度与收缩水平之间的正相关关系。但是,在这些研究中大都使用固定的的重量负荷来表示肌肉的收缩水平,比如悬挂1~10kg的重物。事实上,不同的人肌肉力量是不同的,从个人的相对肌肉收缩水平角度研究,可以使不同人的肌肉硬度情况更容易比较。一个比较常用的表示肌肉相对收缩水平的方法是使用最大自主收缩力矩的百分比(%MVC)。这一方法曾被与MRE技术一起使用,但是只能在低于20%MVC的水平上得到可靠的结果。在较高的%MVC水平上,由于较长的采集时间造成了肌肉的疲劳,应变图像的信噪比(S/N)大大降低。而使用基于超声的方法时,测量范围也没有超过40%MVC。为了克服现有方法在测量高收缩水平下肌肉硬度的局限性,本研究使用了一种新开发的基于超声回波测量剪切波速的方法,以健康男女青年为实验对象,测量了的其股中间肌的剪切模量,并确定了从0%MVC到100%MVC,11个不同的等长收缩水平与肌肉剪切模量之间的关系。
2 方法
2.1 实验对象
10名健康的年轻男性受试者和10名健康的年轻女性受试者自愿参加了本次研究。他们被要求保证大腿肌肉和膝关节最近没有受过伤。所有受试者都签署了由大学伦理委员会批准的“参加实验同意书”。
2.2 实验设备
膝关节伸肌等长收缩下的扭矩由HUMAC NORM康复训练系统(Computer Sports Medicine,Inc.,USA)测量。一个由函数信号发生器控制的电磁振动器minishaker type 4810(Brüel&Kjær,Denmark)被用来产生剪切波。振动器在大腿表面以低频率的正弦波方式(频率100Hz,10个周期为一个序列)振动。它的最大力量为10N,最大峰值位移为6mm。这意味着它产生的振动对人体是非常安全的。
剪切波探测系统是基于一台可编程的商用超声成像设备Sonix RP(Ultrasonix Medical Corp.,Canada)开发的,使用5~14MHz线阵列探头。我们通过对探头上某个位置的超声换能器单独编程,实现了一个特殊的的扫描序列。首先,连续采集包含256条扫描线的普通B型超声图像(宽度38mm,深度根据需要设定,本次实验中为65mm),用来辅助探头定位,直到图像上股直肌,股中间肌和股骨可以被很容易地分辨出来。然后,只有两条预先选定的扫描线被保留,它们之间的距离为15mm。这样做的目的是为了尽可能的提高帧频,以提高测量时间延迟的分辨率。最终在65mm的深度,帧频可以被提高到大约4.6k Hz。同时,较大的剪切波传输距离,也使可测波速的范围大大增加,可以满足高收缩水平下测量肌肉剪切模量的需要。超声回波信号的采样频率为40MHz。振动器和超声采集设备由外部触发信号同步。数据存储在Sonix RP的硬盘上,之后再转到计算机上作进一步分析。
2.3 实验步骤
受试者坐在HUMAC NORM康复系统的坐椅上,右脚踝部用束带与扭矩测量机械臂固定,并将机械臂的旋转轴位置调整到与膝关节的旋转轴位置一致。膝关节角度为90°(关节完全伸展时为0°)。如图1所示,超声探头和振动器被放置在从膝盖关节向上约2/3大腿长度的肌腹上。通过调整支架高度,使接触位置上的压力保持适中,避免肌肉由于受压变形而造成剪切模量明显改变。在测试过程中,100%MVC时的扭矩数值被首先确定,即保持等长收缩5s的情况下能达到的最大扭矩值。接下来,测量5次放松情况下的肌肉硬度,同时也给受试者大约5min的休息时间,避免肌肉疲劳的出现。最后,受试者被要求在不同的水平下保持等长收缩大约4s,从10%~100%MVC,共10个级别,每个级别测量3次,2次测量间有大约1min休息时间。
2.4 数据处理
MATLAB(The Mathworks,USA)被用来对采集的超声数据做进一步处理。使用一种改进的互相关方法,从超声回波射频信号中可以得到剪切波在各个不同深度的组织中引起的应变波形。为了提高应变波形的空间分辨率,我们对互相关结果中最大值附近的三个点进行了抛物线拟合,再对拟合曲线进行插值并选择插值后的最大值位置作为最终结果,使空间分辨率达到了0.2μm的水平。同样的技术也被用来提高时间分辨率,使其对应的虚拟帧频达到460k Hz的水平,进一步增加了测量精度。在这项研究中,股直肌下面股中间肌靠近筋膜的部分被选为感兴趣区域(Region Of Interest,ROI)。在ROI深度上,采自两个位置的波形之间的时间延迟均值被用来计算剪切波速。再使用公式(1),计算出沿肌纤维方向的肌肉剪切模量,公式中的肌肉密度值被估算为1000 kg/m3。对测得的剪切模量数值,我们计算了其与肌肉相对收缩水平(%MVC)之间的相关系数Pr,并通过回归分析确定了它们之间的近似代数表达式,计算了确定系数R2。我们还使用multi-way ANOVA方法分析了性别因素和%MVC因素对结果的影响。所有统计分析都使用SPSS(SPSS Inc.,USA)软件完成。统计显著性的置信水平被设为0.05。
3 结果
如图2所示,沿肌纤维方向,股中间肌的剪切模量与其相对等长收缩水平(%MVC)是正相关的(相关系数:男性组,Pr=0.977;女性组,Pr=0.974)。通过回归分析可知,它们之间的关系接近二次多项式关系(确定性系数:男性组,R2=0.999;女性组,R2=0.9985)。但从图上看,标准差在大于60%MVC的收缩水平后有变大的趋势。从multi-way ANOVA的分析结果看,性别×%MVC这两个因素的交互作用对结果没有显著影响(P=0.91)。性别和%MVC分别作为主要因素对结果都具有显著影响(性别影响:P=0.011;%MVC影响:P<0.001)。由估测边际均值可知,在相同的相对收缩水平下,男性组的肌肉硬度大于女性组。同时,随着%MVC水平的增高,肌肉硬度显著增加。这一结果与从图2得出的直观结果是一致的。
4 讨论
除了使用机械振动器,还可以使用聚焦超声来产生剪切波。其优点是振源可以比较精确地定位于某一特定的深度,剪切波将从这一点传播到周围组织,不易受界面反射的影响。其缺点是受辐射能量的限制,产生的振动幅度比较小,在较深的组织中难以被探测到。机械振动法可以产生更大的振幅,频率也可以精确地控制。因此,组织中的应变波形可以容易地被跟踪和过滤以去除噪声。然而,剪切波从皮肤表面传播到内部组织的过程中,可能发生折射和反射等现象,特别是当骨骼和肌肉呈现比较复杂的几何形状时[10]。这将改变应变波形,增大时间延迟测量结果的误差。
新的测量方法要求剪切波在被测肌肉中的传播模式为较规整的平面波。根据文献,在不同位置使用不同形状的振动头激励肌肉时,剪切波的传播模式是不同的。平面波模式出现在用短棒状的振动头直接激励大尺寸肌肉的肌腹时,因为此时肌纤维是平行排列并且被同时激励[11]。股中间肌具有较大的尺寸,平坦的形状,肌纤维几乎沿同一轴线平行排列,研究方向上的折射和反射现象可大大减少。在研究中,我们发现,相比股直肌,在股中间肌的深度观察到的平面波形态更加均匀规整,这可能与剪切波在股直肌深度受到从皮肤和筋膜两个界面反射回波的影响有关。所以最终我们选择了股中间肌作为研究目标。
在我们的结果中,收缩水平超过60%MVC之后,两组受试者剪切模量的标准差都有增大的趋势。这可能是由于,在高收缩水平下,随着剪切波速的增大,所测时间延迟缩短,时间分辨率受到帧频的限制,对结果的影响相应增加。但也有可能是由于肌肉为了保持高水平的等长收缩,其活跃程度本身的变化区间增加所致。我们还需要进行进一步的研究,来确定这一偏差增长的趋势是由肌肉的固有属性引起的,还是由测量系统的局限性造成的。
综上所述,我们的研究结果表明,股中间肌沿肌纤维方向上的剪切弹性模量与其相对等长收缩水平(%MVC)是正相关的。此外,男性的肌肉硬度在同样的%MVC收缩水平上大于女性。这些结果有助于增进我们对肌肉功能和属性的进一步了解,同时新的测量方法也提供了用于力量训练或者临床情况下肌肉评估的又一工具。我们进一步的目标是在肌肉收缩过程中实时提供肌肉的弹性值,从而得到弹性声肌图(sonomyography)[12,13,14]。
摘要：现有的各种研究肌肉硬度的方法有其各自的优点和局限性。在过去的此类研究中,很少使用肌肉最大自主收缩(Maximum Voluntary Contraction,MVC)扭矩的百分比来表达相对收缩水平,而且缺少高收缩水平(40%MVC以上)下测量肌肉硬度的手段。本文采用了一种基于振动-超声法测量剪切波波速,继而计算肌肉剪切模量的新方法,解决了高收缩水平下肌肉硬度的测量问题。我们以右腿股中间肌为目标,测量了从0%～100%MVC共11个不同等长收缩水平下的肌肉剪切模量。两组年轻的健康男性和女性受试者(各10名)自愿参加了本次研究。研究结果表明,股中间肌沿肌纤维方向的剪切模量,与肌肉的相对收缩水平正相关,它们之间的拟合结果接近二次多项式关系。在相同的相对收缩水平下,男性的肌肉硬度大于女性。
超声电机的定子振动测试与分析 篇3
超声电机 (Ultrasonic Motor或简写为USM) 技术是振动学、波动学、摩擦学、动态设计、电力电子、自动控制、新材料和新工艺等学科结合的新技术。超声电机利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动来获得其运动和力矩, 将材料的微观变形通过机械共振放大和摩擦耦合转换成转子的宏观运动。因其具有低速大扭矩、无电磁干扰、响应快、运行无噪声等卓越特性, 具有广阔的应用前景[1,2,3]。对其运行的物理及电参数的测量分析是进一步研究和应用超声电机的基础。
虚拟仪器 (Virtual Instruments, 简称VI) 是美国国家仪器公司 (National Instruments Corp.简称NI) 于1986年提出的。虚拟仪器是计算机硬件模块与软件相结合, 完成对被测试点的采集、分析、判断、显示和数据存储等[4]。本文基于虚拟仪器、传感器电路搭建了超声电机定子振动测试分析系统, 通过人机交互界面, 还能实现数据回放、打印等功能。本系统证实了Lab VIEW软件的简便、直观和实用性, 揭示了虚拟仪器“软件就是仪器”的良好特性。定子的振动情况是决定超声电机运行状态的重要因素。对超声电机运动机理及运行时的速度和力矩研究具有重要意义。
1 系统设计
系统设计主要包括硬件和软件设计。
1.1 系统的硬件设计
构建系统硬件结构如图1所示。
超声电机在驱动电源驱动下运行, 通过各个传感器将电机的电参量通过数据采集卡进行采集, 再利用USB接口送入计算机处理和显示。
系统选用磁补偿式电压传感器、霍尔原理的多量程磁平衡式电流传感器, 定子振动测试选用Polytec的非接触自动聚焦式激光测振仪OFV-505/5000, 其利用多普勒原理, 通过分析从被测物体表面反射回的激光, 从而确定物体的振动速度和振动位移。OFV激光测振仪包含了OFV-5000控制器和OFV-505光学头, 实物图如图2所示。
1.2 系统的软件设计[5,6]
虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件, 结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。灵活高效的软件能帮助创建完全自定义的用户界面, 模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成, 标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。软件是虚拟仪器技术中最重要的部份。Lab VIEW能轻松方便地完成与各种软硬件的连接, 能提供强大的后续数据处理能力, 设置数据处理、转换、存储的方式, 并将结果显示给用户。
1.2.1 数据采集与存储
本文采用基于NI-DAQmx的数据采集系统。如图3所示, 在驱动程序用户接口MAX中对硬件进行各种必要的设置和测试。系统可以实现数据存储, 供离线进行时域和频域分析使用。
1.2.2 数据处理与分析
数据处理主要包括全相位数字滤波, 有效值计算, 频率值计算和功率计算。数据处理的重要性在于, 对刚采集的数据从噪声中分离出有用的信息。一般利用增加硬件滤波电路可以达到抑制或消除模拟信号和脉冲信号中的高频尖峰干扰, 但需增加设备成本、且安装调试繁杂。可以用Lab VIEW软件来设计不同的滤波程序。数据分析主要包括时域分析与频域分析。
(1) 全相位数字滤波器
数字滤波器有相位延迟的显著缺点, 本文采用FRR (forward filter, reverse filter, reverse output) 方法设计了不具相位延迟的全相位数字滤波器[7,8]。
(2) 频率、有效值和功率计算
系统时域的频率测量方法采用线性插值法。有效值计算采用多点采样法。而功率计算测出电压和电流的相位差, 利用公式y=V·A·cos (x) 可求出。
(3) 频域分析
系统可以进行频谱分析, 功率谱分析 (自功率谱和互功率谱) , 滤波器响应以及谐波分析, 在频域范围内更直观地实现对超声电机驱动电信号的分析。
定子的振动情况是决定超声电机运行状态的重要因素。
1.2.3 旋转型超声电机定子振动测试设计
由于行波超声电机的定、转子通过预压力紧压在一起, 所以利用仪器直接测量电机运行时的定子振动很难实现。因此可以利用超声电机的孤极电压及其频率来间接反映超声电机运行时定子的振动情况, 对电机的精密反馈控制提供依据。
1.2.4 直线型超声电机定子振动测试设计
与旋转超声电机不同, 对于直线型超声电机利用激光测振仪和虚拟仪器的结合实现对定子振动的测试, 观察其谐振频率点。对定子振动的位移和速度信号进行采集, 并通过波形显示与FFT分析来反应振动的情况。程序框图如图4所示。
2 测试系统的试验分析
搭建系统试验平台, 利用数据采集卡和计算机实现对超声电机定子振动的测试与分析。
2.1 旋转超声电机定子振动测试与分析
测试条件:旋转电机驱动频率为41.6 k Hz, 采用BUTTERWORTH带通滤波器, 通频带为40 Hz。孤极电压测试与分析曲线如图5所示。
与驱动电压和电流的测试相同, 对瞬时值、有效值、频率进行测试与分析, 由图5结果可知, 旋转超声电机在41.6 k Hz驱动信号下, 定子振动输出的电压可以达到46 V, 同时检测的振动信号为周期正弦波, 振动频率与驱动信号频率相同。
2.2 直线超声电机定子振动测试与分析
数据采集卡模拟输入ai3端口接激光测振仪的速度输出端, 采用差分的接线方式, 直线电机驱动频率为20 k Hz, 根据采样定理, 采样频率设置为200 k Hz, 采样个数为20 k个, 采用BUTTERWORTH带通滤波器, 通频带为40 Hz。速度测试与FFT分析结果如图6所示。
由于采样频率200 k Hz, 定子振动速度曲线是包络线形式的, 如图6 (a) 所示。将瞬时值曲线部分放大, 如图6 (b) 中所示, 可以看到速度曲线也为周期性的正弦波, 最大值为0.06 m/s。对于速度曲线进行频域上的FFT分析, 得到FFT曲线如图6 (c) 所示, 由FFT幅频曲线可知, 定子振动的主频率为20 k Hz, 与驱动信号频率相吻合。
3 结论
虚拟仪器技术构建的超声电机定子振动测试分析系统, 可以测量和分析超声电机运行时的定子振动情况, 如定子振动电压、速度, 振动频谱分析等。本系统为超声电机的结构设计及性能提高提供了一个可靠全面的测试平台。
摘要：超声电机 (Ultrasonic Motor, 简称USM) 是近二十年发展起来的一种全新原理的电机。基于虚拟仪器、硬件传感器及计算机搭建了超声电机的测试平台, 通过数字滤波等处理和频域分析, 实现对超声电机的重要元件 (定子) 振动信号的检测与分析。从系统硬件选择、软件设计及试验测试几个方面进行了详细论述。经试验证明, 该系统结构简单, 可以稳定运行。
关键词：超声电机,虚拟仪器,LabVIEW,定子
参考文献
[1]赵淳生.面向21世纪的超声电机技术[J].中国工程科学, 2002, 4 (2) :86-91.
[2]韩西京, 赵淳生.超声马达的驱动与控制技术研究进展[J].振动、测试与诊断, 1999, 19 (2) :87-91.
[3]赵淳生.世界超声电机技术的新进展[J].振动、测试与诊断, 2004, 24 (1) :1-5.
[4]魏向华, 张士文, 赵继敏.虚拟仪器发展的现状和前景[J].工业控制计算机, 2001 (3) :1-3.
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[7]雷振山.LabVIEW 7 Express实用技术教程[M].北京:中国铁道出版社, 2004.
低频超声振动切削的力学模型建立 篇4
在普通切削过程中, 切削是靠刀具与工件的相对运动来完成的, 切屑和已加工表面的形成过程, 本质上是工件材料受到刀具的挤压而产生弹性变形和塑性变形, 使切屑与母体分离的过程;而振动切削则有所不同, 在振动切削过程中, 刀具周期性地离开和接触工件, 其运动速度的大小和方向在不断地变化, 刀具速度的变化和加速度的出现, 是振动切削的固有特性, 正是振动切削刀具所固有的这个特性才使振动切削具有异乎寻常的工艺效果[1,2], 本文对振动切削过程进行分析研究以揭示振动切削与普通切削的区别。
1 普通切削过程的模型
根据切削理论, 普通切削时的力学模型可简化成如图1所示。由该图可写出其动力学方程:
式中:m为装夹在主轴上工件的等效质量;x1为工件在水平方向上的位移;c0为阻尼系数;k0为系统刚度系数;t为时间;
p1 (t) =p0+psinwt为切削抗力, p0为静态分量, 即p1 (t) 在一个周期内的平均值。由 (1) 式可得
式中:w0为固有角频率;ξ为阻尼比系数。
2 低频超声切削振动切削的力学模型
振动切削时的力学模型可简化成如图2所示。
由该图可写出其动力学运动方程[3]:
式中:x2为工件在水平方向上的位移;
为振动切削的脉冲波形吃刀抗力的傅立叶级数展开, 式中的tc为一周期内的切削时间, T为振动周期。
由 (3) 得:
当w≥w0时, (2) 和 (4) 式分别为:
由于振动切削容易实现w≥w0而进行切削, 保证在切削中只有 静态分量, 即实现加工时只有, 工件呈刚性化, 使切削处于最佳的平稳状态, 达到提高生产率, 同时提高了工件的加工精度和表面光洁度。
3 结论
本文通过对振动切削与普通切削理论上进行比较与分析, 对振动切削和普通切削的运动过程进行了理论研究, 其中包括受力分析和运动分析, 并且建立了相应的数学模型。并且比较了振动切削与普通切削机理之间的差异, 振动切削系统具有较高的稳定性。
摘要：分析了低频超声振动切削过程的运动学特征, 比较了振动切削与普通切削机理之间的差异, 构建了低频超声切削的振动力学模型。
关键词：低频,超声,振动切削,动力学,数学模型
参考文献
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聚晶金刚石的超声振动研磨机理 篇5
在超声振动研磨中, 由超声换能器及相应夹具组成的超声振动系统对PCD材料施加一个振幅为A (通常A=10～20μm) 、频率为f (通常f=20kHz) 的高频振动, 使PCD材料沿研磨盘径向产生一个振幅为A 的高频往复运动, 研磨时, 这一往复运动与研磨盘线速度V合成, 研磨轨迹由普通研磨时的圆变为在圆上叠加的以f/V为频率、以A为振幅的高频谐波, 从而使磨粒在单位时间内通过PCD材料表面的研磨轨迹加长, 研磨效率相应提高;同时, 单位时间内研磨轨迹的加长也使研磨速度增大, 使磨粒具有比普通研磨条件下更高的冲击动能, 由此提高了研磨PCD的材料去除率。对于材料破坏而言, 能量的大小固然是一重要因素, 而能量对时间的作用梯度在某种意义上更为重要。将超声振动引入PCD研磨中, 就是通过超声波的能量激波作用提高能量梯度和能量聚集, 使磨粒在短时间内克服晶间结合能, 使晶粒发生疲劳破坏 (特别是解理性脆断和微观损伤性去除) 的机率增大。有学者指出:金刚石在冲击载荷的循环作用下, 产生裂纹的应力值大大低于所需的静应力。在超声振动研磨中, PCD中的金刚石晶粒始终处于高频交变冲击载荷的作用下, 加速了PCD材料的疲劳破坏, 特别是金刚石晶粒的解理性脆断。
超声振动 篇6
当今制造业正面临着来自难加工材料 (如不锈钢、硬质合金、高温合金、钛合金等) 的挑战, 利用单一传统的加工方法已经不能有效地加工它们, 这就促成了两种或两种以上加工方法的复合。面对材料的高硬度、成形零件的复杂性, 特种加工技术已成为加工领域的研究热点[1-4]。孔的加工约占机械加工总量的三分之一。目前国内外对小孔、深小孔还未提出确切的定义, 一般说来, 将直径小于3mm的孔称为小孔, 将深径比大于5的小孔称为深小孔。在孔的加工中, 深小孔、异形孔的加工最为困难[5-7]。在此背景下, 研究人员对超声电解复合加工深小孔技术进行了探讨研究。
目前, 国内外对超声振动系统的设计主要是针对振动系统的换能器、变幅杆单个元件的设计, 主要设计方法有解析法、机电等效法、表面弹观法、有限元法。其中, 有限元法是目前应用较广泛的数值分析技术之一, 其求解基本思想是将问题的求解区域划分为一系列单元, 各单元之间通过节点连接, 由平衡关系或能量关系建立节点间的方程组, 通过边界条件进行求解, 该方法能满足工程设计要求[8-11]。
超声电解复合加工深小孔的关键技术是旋转超声振动系统的设计, 这要求超声振动系统具有一定的超声高频振动。超声振动系统主轴的回转精度比较高, 而且在一定深度范围内的深小孔加工中能实现工具超声振动, 输出振幅为30~80μm。传统的全波长或3/2波长振动系统包括换能器的前端盖、电极、压电陶瓷、后端盖、1/2波长变幅杆和传振杆等, 整个振动系统长度较长, 螺纹连接比较多, 精度难以控制, 很难满足回转精度要求。超声加工中, 频率一般为16~25kHz, 振幅为0.01~0.1mm[12]。本文基于局部共振理论, 将解析法和有限元法相结合, 设计1/2波长、频率为20kHz的超声振动系统, 即振动系统由1/4波长换能器和1/4波长变幅杆组成。首先进行换能器、变幅杆各部分尺寸的理论计算, 然后在此基础上进行有限元分析和优化设计, 工具采用高精度ER11螺母夹装, 工具长度在一定尺寸范围变化, 不影响超声振动系统谐振工作, 从而使所设计的超声振动系统满足加工要求。
1 变截面杆纵向振动的波动方程
为了研究方便, 首先对模型做必要的简化, 提出几个假设:变截面杆由均匀、各向同性材料构成;机械损耗忽略不计;平面纵波沿杆轴向传播 (杆横截面尺寸小于1/4波长) ;杆横截面上的应力分布是均匀的[13-14]。
图1所示为一变截面杆, 其对称轴为坐标轴x, 作用在小体积元 (x, x+dx) 所限定的区间上的张应力为σxdx, 根据牛顿定律可以写出动力学方程:
式中, S=S (x) , 为杆的横截面系数;ξ=ξ (x) , 为质点位移函数;, 为应力函数;ρ为细棒材料的密度;E为细棒材料的弹性模量。
在简谐振动情况下, 式 (1) 可以写为
式中, k=ω/c, 为圆波数;ω为角频率;, 为纵波在细棒中的传播速度。
端面受力Fn (x) =-SEξ/x, 结合式 (2) 可以求得简谐振动时, 位移ξn (x) 、振动速度vn (x) (vn=jωξn) 与端面受力Fn (x) 的分布函数。
对等截面杆:
对圆锥形截面杆:
式中, 下标n为变截面杆端面个数;An、Bn分别为待定常数;α为锥度系数, α= (D1-D2) / (D1l) ;D1、D2分别为圆锥变幅杆大端、小端的直径;l为变幅杆的长度。
2 换能器的理论分析
在传统换能器设计当中, 换能器中信号通常设计为半波长, 前盖板采用铝合金、铝镁合金、钛合金等轻金属, 后盖板采用45钢、铜等重金属[15]。这种换能器结构复杂、质量大, 而且由于存在多个结合面, 能量损失比较大。本文设计1/4波长、频率为20kHz的换能器, 如图2所示 (不计电极的厚度) , 其中l1部分为45钢螺母, l2部分为铝合金块, l3、l4部分为压电陶瓷, 它们通过螺杆连接在一起。计算过程中忽略螺杆、电极的影响。考虑换能器的尺寸、质量、安装等因素, 将换能器的节面设计在压电陶瓷与变幅杆的交界处, 为了减小换能器的质量, 将后端盖分成1、2部分, 铝合金材料具有质量轻、阻抗小等优点, 在换能器中起着压块的作用;45钢螺母保证了能量能够最小限度地从换能器的后表面辐射, 提高换能器的前向辐射功率, 同时提供一定的预紧力。
在超声电解复合加工过程中, 超声振动辅助电解加工, 因而, 所设计的换能器中, 功率不宜过大, 取200W, 中心频率为20kHz, 波长按公式λ=c/f计算, 其中c取3.371×106mm/s, f为2.0×104Hz, 一般而言, 超声纵振系统的径向长度应小于声波波长的1/4[15], 根据压电陶瓷材料的性能参数, 确定其型号。这样, 压电陶瓷厚度l3、l4就为已知量, 45钢螺母厚度l1在设计时也已确定, 且将螺母截面近似为等截面圆, 3种材料截面面积相等。
为了计算简便, 分别对每个元件建立坐标系, 在不考虑工具系统的影响下, 由式 (4) 、式 (5) 以及函数的连续性, 可以得到:
解式 (9) , 可以得到关于l1、l2、l3、l4以及v0的方程, 利用MATLAB求解可得l4的值。
3 变幅杆的理论分析
内喷式超声电解复合加工深小孔过程中, 电解液经过换能器的预紧螺杆、变幅杆, 从工具头内孔流出, 因而, 要求流道具有一定的耐腐蚀性。换能器预紧螺杆和变幅杆采用耐腐蚀材料1Cr18Ni9Ti不锈钢, 流道为5mm的孔。常用的变幅杆有圆锥形、阶梯形、指数型等, 其中, 阶梯形变幅杆获得的放大系数较大, 但存在应力集中的不足, 圆锥形变幅杆的放大系数较小, 但是其共振频率和放大系数受负载的影响相对较小, 因而结合上述两种变幅杆的特点, 设计圆锥阶梯复合形变幅杆。为提高变幅杆的回转精度, 减小体积, 并便于加工制作和安装, 设计图3所示的1/4波长变幅杆, 波长按λ=c/f计算, 径向直径小于该波长的1/4, 并结合换能器径向直径确定该值。变幅杆的节面位置在x=0处。
为了计算简便, 分别对每个元件建立坐标系, 在不考虑工具系统的影响下, 变幅杆一端固定, 一端自由, 由式 (4) 、式 (5) 、式 (7) 、式 (8) 以及函数的连续性, 并考虑换能器与变幅杆连接的连续条件, 可以得到:
解式 (10) 可以得到关于l5、l6、l7和l8的等式。在已知l5、l6和l7的前提下, 便可利用MATLAB求解得l8的值。
4 超声振动系统的优化设计
超声电解复合加工深小孔中, 为提高深小孔的圆柱度和尺寸精度并实现各种深径比的深小孔加工, 本文基于局部共振理论[16]设计旋转超声振动系统, 将所设计的超声振动系统看成一个驱动系统, 实现工具系统的共振, 所设计的振动系统力求体积小, 配合精密。为了避免超声振动系统受到电解液的影响并实现旋转, 换能器安装在密封的旋转腔中。换能器所散发的热量通过空气来冷却, 因而, 在换能器的设计中后盖板不仅采用了阻抗较小的铝合金材料, 而且应使换能器体积小, 便于散热, 避免因体积过大引起的回转误差。在对超声振动系统的整体设计过程中, 摒弃了传统的对换能器、变幅杆的分别设计, 而是对超声振动系统进行整体设计。在设计过程中, 换能器和变幅杆的各自频率与设计频率存在一定的偏差, 但是将换能器和变幅杆安装好后的整体频率满足设计要求。
4.1 变幅杆的优化设计
对于所设计的1/4波长变幅杆, 为满足加工要求、获得比较大的行程, 要求其长度尽可能短。因而, l6、l7和l8的范围都在1/8波长以内。为使建立的模型更接近于实际变幅杆, 在变幅杆有限元模型上, 有5mm的电解液流道孔, 将ER11螺母近似于l9圆柱段, 如图4所示。对所建立的模型分别进行模态分析和谐响应分析, 提取频率F和应力函数STRESS_MAX作为优化的状态变量 (SV) , 以l6、l7和l8为设计变量 (DV) , 以设计频率与模态分析频率f之差的绝对值FREQ为目标函数 (OBJ) 。优化结果如表1所示 (只列出最佳结果) 。对优化所得到的长度进行圆整, 并进行模态和谐响应分析, 其仿真结果频率为19 913Hz, 该变幅杆轴向位移分布如图5所示, 沿变幅杆轴向长度变化, 振幅逐渐变大, ER11螺母输出端的位移为75μm, 达到预计设计要求。
4.2 超声振动系统的优化仿真
完成对1/4波长复合变幅杆仿真后, 将1/4波长换能器和1/4波长复合变幅杆组成超声振动系统进行压电分析, 提取纵振频率f, 然后进行优化设计。优化设计过程以l2、l6、l7和l8为设计变量 (DV) , 以设计频率与模态分析所得到的频率之差的绝对值FREQ作为目标函数 (OBJ) , 状态变量 (SV) 为频率f (19~21kHz) 。优化结果如表2所示。
由于已经对变幅杆进行了优化设计, 所得到的振幅满足设计要求, 故在对超声振动系统的优化设计过程中没有考虑振动系统的振幅问题, 只对频率进行了优化设计。超声振动系统的优化仿真结果中, 优化参数结果尺寸相差不是很大。考虑到换能器的散热空间, 因而在l2的取值上优先考虑较小值, l6、l7和l8的值优先考虑变幅杆的优化结果。由于仿真所设置的参数与实际材料的参数具有一定的偏差以及ANSYS软件本身存在的误差, 故其仿真结果也会与实体频率有一定偏差, 因而超声振动系统的优化结果只能作为参考, 指导超声振动系统的设计。超声振动系统如图6所示, 其频率和振幅试验验证结果表明, 所制作出的超声振动系统满足要求。
5 工具系统
在超声电解复合加工深小孔过程中, 所加工的深小孔深度变化范围比较大, 工具不可能采用半波长整数倍叠加的形式来实现共振。范国良等[17]设计了一种基于局部共振理论深小孔超声加工工具系统, 该系统频率可以看成是一端固定、一端自由的纵向振动单独谐振频率。在研制的超声振动系统中, 变幅杆输出端直径为15mm, 工具的直径小于3mm, 直径之比小于0.3, 满足局部共振的条件。对研制出的超声振动系统进行共振雾化测试试验, 其雾化效果比较明显, 用镊子接触振动端部, 发出共振。试验结果表明, 对于管径在1~3mm范围内薄壁工具, 其长度在20~100mm范围都能实现共振。
6 结语
本文为满足超声电解复合加工深小孔的要求, 设计频率为20kHz、1/2波长超声振动系统。首先基于波动方程, 理论设计1/2波长超声振动系统的最初几何模型, 在此基础上, 利用有限元软件ANSYS对1/4波长变幅杆和1/2波长超声振动系统分别进行了模态分析、压电分析和优化设计, 得到了变幅杆和超声振动系统的一系列优化模型, 用于指导超声振动系统的制作。由于所输入的材料参数值与实际材料参数值有一定的偏差, 因而, 其优化模型与实际有一定的偏差。所设计的1/2波长超声振动系统与传统全波长振动系统相比, 减小了超声振动系统的长度和体积, 提高了超声振动系统的回转精度, 在工具满足局部共振理论要求前提下, 可实现不同长度范围的超声振动, 为今后超声电解复合加工深小孔研究提供了基础。
摘要：为设计精密超声电解复合加工深小孔装置的振动系统, 设计了1/2波长超声振动系统和以局部共振理论为指导的工具系统。基于波动方程, 分别建立1/4波长超声换能器和变幅杆的解析模型, 得到换能器和变幅杆的结构尺寸。借助有限元分析软件ANSYS对理论设计的变幅杆和超声振动系统进行动力学分析、压电分析和优化设计, 得到了变幅杆和超声振动系统的优化模型。分析结果表明, 有限元法对变幅杆和超声振动系统的设计制作具有指导意义, 缩短了设计周期, 降低了设计成本, 所设计的超声振动系统具有良好的性能。
超声振动 篇7
功率超声换能器在功率超声技术中, 是一个至关重要的部分, 因为它决定了超声设备的性能。在传统的功率超声技术中, 一般是使用夹心式一维纵向振动超声换能器, 它具有功率大、效率高等优点。但是, 由于设计理论的限制, 夹心式一维纵向振动超声换能器的振动方向仅仅限于换能器的纵向振动方向, 即其振动能量的辐射方向是一维的, 而且其横向尺寸不能超过换能器发射频率对应波长的四分之一, 这就限制了此类换能器辐射能量的提高及其能量的辐射方向。
为了克服这一问题, 专家们经过多年的研究, 提出了一种二维的大功率超声换能器, 即夹心式径向复合超声换能器, 此类换能器不仅可以使超声的辐射方向由一维变成二维, 而且可以辐射大功率超声, 为超声清洗等液体处理技术提供一种全新的大功率声学辐射器, 可望在超声化学、超声废水处理、超声清洗以及大功率超声液体处理技术中获得广泛应用。