Способ возбуждения высокочастотных упругих колебаний в конструкциях Советский патент 1982 года по МПК B06B3/00 

(54) СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ УПРУГИХ КОЛЕБАНИЙ В КОНСТРУКЦИЯХ

Изобретение относится к технологическому применению ультразвука и может быть использовано для решения задач, связанных с возбуждением высокочастотных упругих колебаний в конструкциях для релаксации остаточных напряжений, очистки, уплотнения наполнителя и т. п. в различных отраслях народного хозяйства. Известен способ возбуждения высокочастотных, например, ультразвуковых колебаний к конструкциям, основанный на непосредственном контакте ультразвукового преобразователя и конструкции 1. Недостатком указанного способа является высокий уровень требований к качеству обработки контактирующих поверхностей. Эффективная передача энергии преобразователя и возбуждение ультразвуковых колебаний в конструкциях с необработанными в зоне контакта поверхностями этим способом невозможны. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ возбуждения упругих колебаний в конструкциях, основанный на преобразовании гармонических механических колебаний в последовательность импульсных механических ударов той же частоты с пластическим деформированием поверхности конструкции 2. Однако известный способ недостаточно эффективен при возбуждении конструкции с необработанной поверхностью. Цель изобретения - повышение эффективности возбуждения механических колебаний через необработанную поверхность за счет согласования импедансов возбудителя и конструкции. Поставленная цель достигается тем, что частоту гармонических механических колебаний выбирают равной собственной частоте конструкции и вводят их в конструкцию по поверхности, максимальный линейный размер которой находится в пределах 0,1250,25 от длины волны колебаний конструкции, при этом площадь следов пластического деформирования выбирают не меньшей половины плошади поверхности ввода колебаний. На фиг. 1 представлена схема возбуждения колебаний в конструкции; на фиг. 2 - участок ввода колебаний. На фиг. 1 и 2 показаны конструкция 1, возбудитель 2 колебаний, элементы 3 передачи колебаний (ударники), волновой рельеф 4 в конструкции, поверхность 5 ввода колебаний.

Способ основан на преобразовании энергии гармонических колебаний преобразователя в ударные импульсы ультразвуковой частоты при помощи набора подвижных в осевом направлении ударников, размещенных между возбудителем 2 и конструкцией I, пластическом деформировании ими поверхности материала конструкции, акустическом «присоединении области ввода колебательной энергии, формирование устойчивой резонансной колебательной системы преобразователь - конструкция.

Способ осуществляется следующим образом.

Основываясь на общеинженерных соображениях по формированию настроенной резонансной системы преобразователь-конструкция, вначале определяют спектр собственных частот конструкции и выбирают соответствующие решаемой технологической задаче частоту и преобразователь-возбудитель. Опытным путем определяют предельную амплитуду колебаний преобразователя, обусловленную контактной прочностью материала конструкции. Определяют конфигурацию поверхности ввода колебательной энергии, считая, что ее линейные размеры должны быть в пределах 0,125-0,2 длины волны в конструкции на выбранной частоте (например, изгибной волны). С учетом необходимости насыщения поверхности ввода следами пластических деформаций на площади не менее 0,5 ее полного значения выбирают целесообразный диаметр ударников и равномерно размещают их по ней.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет максимально использовать энергию преобразователя при достижении заданного технологического эффекта на резонансной частоте системы преобразователь-конструкция за счет подавления сопутствующих частот спектра и согласования импедансов преобразователя и конструкции, достичь,целесообразного с точки зрения рещаемой технологической задачи уровня циклических напряжений и пластических деформаций, не превыщая при этом предельного значения контактных напряжений для материала конструкции.

Физическая сущность предлагаемого способа поясняется на следующем примере.

Если на пластину воздействовать одиночным ударом, в ней возбудятся колебания полного спектра ее собственных частот: fi,

fz, {3 n- Возбужденные таким образом

колебания будут затихающими вследствие поглощения колебательной энергии материалом пластины. Если действие удара повторять с резонансной частотой преобразователя, близкой к одной из собственных частот конструкции, в ней возбуждаются вынужденные колебания, в спектре которых представлены моды свободных колебаний, обусловленные частотой возбуждения и формой ее колебаний.

Энергия преобразователя в указанном

случае распределяется по всему представленному спектру частот свободных колебаний.

Для возбуждения в пластине гармонических колебаний на одной из собственных

частот, равной резонансной частоте преобразователя в предлагаемом способе, в качестве частотного фильтра используется участок поверхности пластины, размеры которого в направлении распространения инициируемых в пластине волн обеспечивают подавление всех колебаний на сопутствующих частоте возбуждения частотах спектра свободных колебаний.

Экспериментально установлено, что в пластине каждой из собственных частот соотвествует участок поверхности, порщневые колебания которого обеспечивают ее фильтрацию. Размеры этого участка в направлении распространения волны - есть некоторая функция волновой длины;

Подавление сопутствующих основной частоте возбуждения частот спектра конструкции при соответствующих размерах поверхности ввода колебательной энергии достигается так же соблюдением опеределенной плотности насыщения этого участка точками ввода одиночных синфазных периодических импульсов силы.

Так формируется поле периодических импульсных синфазных напряжений, инициирующее мощные гармонические колебания кон35 струкции на основной частоте возбуждения.

Формула изобретения

Способ возбуждения высокочастотных упругих колебаний в конструкциях, основанный на преобразовании гармонических механических колебаний в последовательность импульсных механических ударов той же частоты с пластическим деформированием

поверхности конструкции, отличающийся тем, что, с целью повыщения эффективности возбуждения механических колебаний конструкции через необработанную поверхность за счет согласования импеЦдансов возбудителя и конструкции, частоту гармонических механических колебаний выбирают равной собственной частоте конструкции и вво-. дят их в конструкцию по поверхности, максимальный линейный размер которой находится в пределах 0,,25 от длины волны

колебаний конструкции, при этом площадь следов пластического деформирования выбирают не меньшей половины площади поверхности ввода колебаний.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Патент Франции № 1334459, кл. В 06 В 3/00, 1976.

У

. 1

Фиг.г