超声振动器件的内耗发热

　　1　引言

　　大功率超声振动器件多由金属材料和压电材料制作而成,在大功率状态下,由于材料存在内损耗而使振动器件发热,导致超声振动系统工作不够稳定,严重影响着大功率超声波系统在各行各业中的广泛应用。金属材料振动时的内损耗决定于各种物理过程,损耗系数与多种因素有着很复杂的关系[1]。研究金属内耗比较成熟的方法多为低频状态[2～4],但不能适应大功率超声频振动状态下的情况。因此,针对几种材料制作的振动体,本文用红外线成像技术分析了其在大功率超声频振动状态下的内耗发热。

　　2　实验原理与方法

　　由于不同程度地存在着振动阻尼,材料在振动时会因阻尼损耗(内损耗)而发热,阻尼越大,内损耗越大,材料的温度就越高。所以,通过测量材料振动时的表面温度,可以间接分析不同材料的内损耗大小。这里采用红外线成像技术测量材料的表面温度。实验方框图如图1所示。

　　实验时将各种试件先后紧密地连接在谐振频率为19.5±1kHz的夹心式压电换能振动系统上,该振动系统由ACQ-600型超声波发生器驱动。试件温度用900型红外线成像系统采样分析,用CN 3165型高分辨率计数器监视系统频率,用V-212型示波器及EMB10K250型功率计监视系统的信号波形和功率。

　　试验中振幅(峰-峰)分别为30μm、60μm、80μm三种状态,振幅用2109-10型千分表测量。振动体的辐射面处于空气中,对于每种试件和振幅,连续振动300s。红外线成像系统距试件的距离为1m,每秒钟采集1帧,给出每帧中试件温度分布状态,找出温度最大点,最后绘制出时间、位置与温度之间的分布图。

　　3　试验材料与试件

　　试验材料分别是45#钢材供应状态、合金钢(20CrMnMo)供应和淬火热处理两种状态、合金铝(LC4)、黄铜(H62)、不锈钢(1Cr 18Ni9Ti)及钛合金(T4)。试验时,这些材料被加工成大振幅实用状态谐振频率为19.5±0.5kHz、长度为半波长的超声振动器试件,所有试件被加工成两种外形:一部分为20mm的圆柱体;另一部分是大端面为20mm、小端面为10mm的阶梯形变幅杆,放大倍数为4。

　　4　实验结果

　　4.1　振动器内耗发热随时间、位置的分布

　　图2是45#钢供应状态试件温度随时间和位置的分布。试件以80μm(峰-峰)振幅连续振动300s。由图中可看出,试件两端温度上升较慢,中部的温度上升最快也最高。随着振动时间延长,试件温度分布发生了剧烈变化,最高温度约为639.32°C。温度最高处的位置与理论计算应力最大处有所偏离,偏移向小端面一方,偏移量为10%。而阶梯形变幅杆的应力最大处在突变截面处[5]。