CN107703214A - 一种频率可调式超声变幅器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超声波疲劳试验领域用的频率可调式超声变幅器。它解决超声疲劳试验中位移放大器固有频率不能根据试验需求进行调整的问题。其技术方案是：定位杆和固定座用螺钉固紧；上调频总成上端和超声波换能器下端用螺柱a固紧，上调频总成下端和定位杆上端用螺柱b固紧；下调频总成上端和定位杆下端用螺柱c固紧，下调频总成下端和变幅杆上端用螺柱d固紧；变幅杆下端和试件上端用螺柱e固紧；上调频总成和下调频总成的固有频率为20kHz，并在一定带宽范围内可以调整；上调频总成、定位杆、下调频总成、变幅杆和试件的轴向长度均为半个波长。本发明可以调整上调频总成和下调频总成的固有频率，克服了常规整体式位移放大器的缺陷。

Description

一种频率可调式超声变幅器
技术领域
本发明涉及一种超声波疲劳试验领域用的频率可调式超声变幅器。
背景技术
超声疲劳是一种加速共振式的疲劳试验方法，它的测试频率(20kHz)远远超过了常规疲劳测试频率(小于200Hz)。1950年Masion基于压电致伸缩原理并利用高能超声波谐振技术建立了超声疲劳试验方法，开辟了超声振动技术在材料疲劳损伤与循环寿命研究领域的新阵地。超声疲劳的实质是在被加载式样上建立机械谐振波。
常规疲劳试验仅能完成106～107周次范围内材料的疲劳性能，然而在许多工业部门(例如高速列车、汽车、飞机等)，其某些结构和零件的实际使用寿命往往需要达到108～1010周次，例如一台以3000r/min运行的高速航空涡轮发动机在20年服役期内要经历1010个应力循环。超声疲劳试验研究表明许多工程材料知道1010周次应力循环后仍然会发生疲劳断裂，因此107周次的疲劳试验数据进行疲劳强度设计并不能满足很多工程实际需求。然而利用常规疲劳试验方法，加载频率为100Hz，完成一次109周次循环的疲劳试验需要连续运动115天，显然浪费大量财力人力，并且常规疲劳试验机不可能如此长周期连续运行；如果使用超声疲劳试验技术，加载频率为20kHz，同样完成一次109周次循环的疲劳试验仅需运行14个小时，可以顺利建立一条109周次循环的S-N曲线。
超声疲劳试验的核心元件是超声波换能器和位移放大器，超声波换能器实现电信号转换成机械振动信号，位移放大器可以放大来自换能器的振动位移振幅，使试件获得试验需要的应变振幅。而位移放大器和试件要实现共振，二者结构参数必须满足超声波换能器振动信号的要求，其自身固有频率必须和超声波换能器振动信号频率一致。影响位移放大器和试件固有频率的参数包括质量，结构几何尺寸，密度，边界约束，目前使用的位移放大器和试件的相关技术参数经过理论计算进行设计后，在试验前还必须调试修正，轴向长度满足半个波长要求，最后才能进行超声波疲劳试验。目前的位移放大器均设计为整体式结构，其调整修正必须上机床再次加工，操作复杂，累计加工误差大；在试件设计过程中，理论固有频率和实际固有频率始终会有一定偏差，并且在实验过程中，随着试件内部产生裂纹导致试件固有频率改变，这时应该调整位移放大器固有频率，使其固有频率始终和试件固有频率一致，然而实际试验中位移放大器为整体式结构，试验过程中不可能再次调整位移放大器固有频率，导致试验误差进一步增大，难以准确测试试件的真实疲劳特性。
基于上述技术背景，本发明特提供一种频率可调式超声变幅器，可以方便地修正位移放大器的固有频率，提高超声疲劳试验的准确性。
发明内容
本发明的目的是：为了解决超声疲劳试验中位移放大器固有频率不能根据试验需求进行调整的问题，特提供一种频率可调式超声变幅器。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种频率可调式超声变幅器，是由超声波换能器、螺柱a、上调频总成、螺柱b、螺钉、固定座、定位杆、螺柱c、下调频总成、螺柱d、变幅杆、螺柱e和试件构成，上调频总成包括上调节螺母、上调节螺杆、上锁紧螺母，下调频总成包括下锁紧螺母、下调节螺杆、下调节螺母；其结构特征是：固定座和机架固定连接，固定座上设置一通孔，通孔外侧周向均匀设置六个螺纹孔；定位杆上端设置一螺纹孔，定位杆下端设置一螺纹孔，定位杆外圆上部周向均匀设置四个插孔，定位杆外圆中部设置一圈凸起台阶，凸起台阶上周向均匀设置六个通孔；定位杆下部穿过固定座通孔，定位杆和固定座用螺钉固紧；上调频总成上端和超声波换能器下端用螺柱a固紧，上调频总成下端和定位杆上端用螺柱b固紧；下调频总成上端和定位杆下端用螺柱c固紧，下调频总成下端和变幅杆上端用螺柱d固紧；变幅杆下端和试件上端用螺柱e固紧；在上调频总成中，上调节螺母上端设置一螺纹孔，上调节螺母外圆上部周向均匀设置四个插孔，上调节螺母下部内腔设置为母螺纹，上调节螺杆下端设置一螺纹孔，上调节螺杆外圆下部周向均匀设置四个插孔，上调节螺杆外圆上部设置为公螺纹，上锁紧螺母内腔设置为母螺纹，上锁紧螺母外圆周向均匀设置四个插孔，上锁紧螺母和上调节螺母内腔的母螺纹旋进上调节螺杆外圆上部的公螺纹，上锁紧螺母轴向锁紧上调节螺母和上调节螺杆；在下调频总成中，下调节螺母下端设置一螺纹孔，下调节螺母外圆下部周向均匀设置四个插孔，下调节螺母上部内腔设置为母螺纹，下调节螺杆上端设置一螺纹孔，下调节螺杆外圆上部周向均匀设置四个插孔，下调节螺杆外圆下部设置为公螺纹，下锁紧螺母内腔设置为母螺纹，下锁紧螺母外圆周向均匀设置四个插孔，下锁紧螺母和下调节螺母内腔的母螺纹旋进下调节螺杆外圆下部的公螺纹，下锁紧螺母轴向锁紧下调节螺母和下调节螺杆；变幅杆上端设置一螺纹孔，变幅杆下端设置一螺纹孔，变幅杆外圆上部周向均匀设置四个插孔，变幅杆上部截面直径和下部截面直径不相等，变幅杆上部外圆和下部外圆轮廓平滑过渡，变幅杆利用轴向质量的改变使轴向振幅发生改变，使试件获得试验需要的振幅；试件上端设置一螺纹孔，试件外圆中部设置为内凹圆弧形轮廓，试件外廓两端对称。
超声波换能器输出的基本振动频率为20kHz，其输出频率由超声频率发生器输出的一定带宽范围内的电信号频率决定；定位杆、变幅杆和试件的固有频率为20kHz，安装完成后，上调频总成和下调频总成的固有频率为20kHz，并在一定带宽范围内可以调整；超声波换能器、上调频总成、定位杆、下调频总成、变幅杆和试件各连接面位置处，均为谐振波振幅最大位置处，该处应力为零；定位杆和固定座连接面位置处，谐振波振幅为零，定位杆内应力最大；上调频总成、定位杆、下调频总成、变幅杆和试件的轴向长度均为半个波长；试件中间截面振幅为零，应力最大，为疲劳断裂位置。
本发明的有益效果是：(1)本发明可以调整上调频总成和下调频总成的轴向长度达到修整自身固有频率的效果，可以方便地进行超声疲劳试验的参数调整，克服了常规整体式位移放大器固有频率不能调整的缺陷；(2)本发明在超声疲劳试验中，可以根据试件实际固有频率，调整变幅器的固有频率，使试件始终达到共振条件，保证超声疲劳试验的准确性；(3)本发明结构紧凑，机械结构简单，合理的参数设计可以保证很高的使用寿命。
附图说明
图1是本发明一种频率可调式超声变幅器的结构示意图；
图中：1.超声波换能器、2.螺柱a、3.上调节螺母、4.上调节螺杆、5.上锁紧螺母、6.螺柱b、7.螺钉、8.固定座、9.定位杆、10.螺柱c、11.下锁紧螺母、12.下调节螺杆、13.下调节螺母、14.螺柱d、15.变幅杆、16.螺柱e、17.试件、20.上调频总成、21.下调频总成。
具体实施方式
如图1所示，本发明一种频率可调式超声变幅器，是由超声波换能器1、螺柱a2、上调频总成20、螺柱b6、螺钉7、固定座8、定位杆9、螺柱c10、下调频总成30、螺柱d14、变幅杆15、螺柱e16和试件17构成，上调频总成20包括上调节螺母3、上调节螺杆4、上锁紧螺母5，下调频总成30包括下锁紧螺母11、下调节螺杆12、下调节螺母13；其结构特征是：固定座8和机架固定连接，固定座8上设置一通孔，通孔外侧周向均匀设置六个螺纹孔；定位杆9上端设置一螺纹孔，定位杆9下端设置一螺纹孔，定位杆9外圆上部周向均匀设置四个插孔，定位杆9外圆中部设置一圈凸起台阶，凸起台阶上周向均匀设置六个通孔；定位杆9下部穿过固定座8通孔，定位杆9和固定座8用螺钉7固紧；上调频总成20上端和超声波换能器1下端用螺柱a2固紧，上调频总成20下端和定位杆9上端用螺柱b6固紧；下调频总成30上端和定位杆9下端用螺柱c10固紧，下调频总成30下端和变幅杆15上端用螺柱d14固紧；变幅杆15下端和试件17上端用螺柱e16固紧；在上调频总成20中，上调节螺母3上端设置一螺纹孔，上调节螺母3外圆上部周向均匀设置四个插孔，上调节螺母3下部内腔设置为母螺纹，上调节螺杆4下端设置一螺纹孔，上调节螺杆4外圆下部周向均匀设置四个插孔，上调节螺杆4外圆上部设置为公螺纹，上锁紧螺母5内腔设置为母螺纹，上锁紧螺母5外圆周向均匀设置四个插孔，上锁紧螺母5和上调节螺母3内腔的母螺纹旋进上调节螺杆4外圆上部的公螺纹，上锁紧螺母5轴向锁紧上调节螺母3和上调节螺杆4；在下调频总成30中，下调节螺母13下端设置一螺纹孔，下调节螺母13外圆下部周向均匀设置四个插孔，下调节螺母13上部内腔设置为母螺纹，下调节螺杆12上端设置一螺纹孔，下调节螺杆12外圆上部周向均匀设置四个插孔，下调节螺杆12外圆下部设置为公螺纹，下锁紧螺母11内腔设置为母螺纹，下锁紧螺母11外圆周向均匀设置四个插孔，下锁紧螺母11和下调节螺母13内腔的母螺纹旋进下调节螺杆12外圆下部的公螺纹，下锁紧螺母11轴向锁紧下调节螺母13和下调节螺杆12；变幅杆15上端设置一螺纹孔，变幅杆15下端设置一螺纹孔，变幅杆15外圆上部周向均匀设置四个插孔，变幅杆15上部截面直径和下部截面直径不相等，变幅杆15上部外圆和下部外圆轮廓平滑过渡，变幅杆15利用轴向质量的改变使轴向振幅发生改变，使试件17获得试验需要的振幅；试件17上端设置一螺纹孔，试件17外圆中部设置为内凹圆弧形轮廓，试件17外廓两端对称。
超声波换能器1输出的基本振动频率为20kHz，其输出频率由超声频率发生器输出的一定带宽范围内的电信号频率决定；定位杆9、变幅杆15和试件17的固有频率为20kHz，安装完成后，上调频总成20和下调频总成30的固有频率为20kHz，并在一定带宽范围内调节总长可以调整其固有频率；超声波换能器1、上调频总成20、定位杆9、下调频总成30、变幅杆15和试件17各连接面位置处，均为谐振波振幅最大位置处，该处应力为零；定位杆9和固定座8连接面位置处，谐振波振幅为零，定位杆9内应力最大；上调频总成20、定位杆9、下调频总成30、变幅杆15和试件17的轴向长度均为半个波长；试件17中间截面振幅为零，应力最大，为疲劳断裂位置。
本发明利用调整上调频总成20和下调频总成30几何参数可以改变其固有频率的原理，可以非常方便地对本发明的固有频率进行快速修正，以达到快速匹配超声疲劳试验最佳技术参数的目的。

Claims (3)

1.一种频率可调式超声变幅器，是由超声波换能器(1)、螺柱a(2)、上调频总成(20)、螺柱b(6)、螺钉(7)、固定座(8)、定位杆(9)、螺柱c(10)、下调频总成(30)、螺柱d(14)、变幅杆(15)、螺柱e(16)和试件(17)构成，上调频总成(20)包括上调节螺母(3)、上调节螺杆(4)、上锁紧螺母(5)，下调频总成(30)包括下锁紧螺母(11)、下调节螺杆(12)、下调节螺母(13)；其特征是：固定座(8)和机架固定连接，固定座(8)上设置一通孔，通孔外侧周向均匀设置六个螺纹孔；定位杆(9)上端设置一螺纹孔，定位杆(9)下端设置一螺纹孔，定位杆(9)外圆上部周向均匀设置四个插孔，定位杆(9)外圆中部设置一圈凸起台阶，凸起台阶上周向均匀设置六个通孔；定位杆(9)下部穿过固定座(8)通孔，定位杆(9)和固定座(8)用螺钉(7)固紧；上调频总成(20)上端和超声波换能器(1)下端用螺柱a(2)固紧，上调频总成(20)下端和定位杆(9)上端用螺柱b(6)固紧；下调频总成(30)上端和定位杆(9)下端用螺柱c(10)固紧，下调频总成(30)下端和变幅杆(15)上端用螺柱d(14)固紧；变幅杆(15)下端和试件(17)上端用螺柱e(16)固紧；在上调频总成(20)中，上调节螺母(3)上端设置一螺纹孔，上调节螺母(3)外圆上部周向均匀设置四个插孔，上调节螺母(3)下部内腔设置为母螺纹，上调节螺杆(4)下端设置一螺纹孔，上调节螺杆(4)外圆下部周向均匀设置四个插孔，上调节螺杆(4)外圆上部设置为公螺纹，上锁紧螺母(5)内腔设置为母螺纹，上锁紧螺母(5)外圆周向均匀设置四个插孔，上锁紧螺母(5)和上调节螺母(3)内腔的母螺纹旋进上调节螺杆(4)外圆上部的公螺纹，上锁紧螺母(5)轴向锁紧上调节螺母(3)和上调节螺杆(4)；在下调频总成(30)中，下调节螺母(13)下端设置一螺纹孔，下调节螺母(13)外圆下部周向均匀设置四个插孔，下调节螺母(13)上部内腔设置为母螺纹，下调节螺杆(12)上端设置一螺纹孔，下调节螺杆(12)外圆上部周向均匀设置四个插孔，下调节螺杆(12)外圆下部设置为公螺纹，下锁紧螺母(11)内腔设置为母螺纹，下锁紧螺母(11)外圆周向均匀设置四个插孔，下锁紧螺母(11)和下调节螺母(13)内腔的母螺纹旋进下调节螺杆(12)外圆下部的公螺纹，下锁紧螺母(11)轴向锁紧下调节螺母(13)和下调节螺杆(12)；变幅杆(15)上端设置一螺纹孔，变幅杆(15)下端设置一螺纹孔，变幅杆(15)外圆上部周向均匀设置四个插孔，变幅杆(15)上部截面直径和下部截面直径不相等，变幅杆(15)上部外圆和下部外圆轮廓平滑过渡，变幅杆(15)利用轴向质量的改变使轴向振幅发生改变，使试件(17)获得试验需要的振幅；试件(17)上端设置一螺纹孔，试件(17)外圆中部设置为内凹圆弧形轮廓，试件(17)外廓两端对称；上调频总成(20)、定位杆(9)、下调频总成(30)、变幅杆(15)和试件(17)的轴向长度均为半个波长。
2.根据权利要求1所述的频率可调式超声变幅器，其特征是：所述超声波换能器(1)输出的基本振动频率为20kHz，其输出频率由超声频率发生器输出的一定带宽范围内的电信号频率决定；定位杆(9)、变幅杆(15)和试件(17)的固有频率为20kHz，安装完成后，上调频总成(20)和下调频总成(30)的固有频率为20kHz，并在一定带宽范围内调节总长可以调整其固有频率。
3.根据权利要求1所述的频率可调式超声变幅器，其特征是：所述超声波换能器(1)、上调频总成(20)、定位杆(9)、下调频总成(30)、变幅杆(15)和试件(17)各连接面位置处，均为谐振波振幅最大位置处，该处应力为零；定位杆(9)和固定座(8)连接面位置处，谐振波振幅为零，定位杆(9)内应力最大；试件(17)中间截面振幅为零，应力最大，为疲劳断裂位置。
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