[发明专利]一种输出能量分布均匀的多频超声振动系统

说明书

本发明一种输出能量分布均匀的多频超声振动系统，属于超声系统领域：包括：多频超声电源、多频换能器和计算工作站；所述多频超声电源产生并输出频率可调整的多频电信号；多频换能器接收多频超声电源传送的多频电信号，并将多频电信号转换为相应频率的机械振动信号，进行残余应力去除；计算工作站根据得到的多频换能器的工作频率，及对应工作频率下的标定超声振幅，计算多频换能器各工作频率的初始相位差、占空比和激振时间配比，实现多频换能器输出的超声振动在被去除残余应力的工件中传播时能量分布均匀，并传送给多频超声电源；本系统实现超声振动在被去除残余应力的工件中传播时能量分布均匀，可将工件中残余应力去除完全，缩短去除时间。

技术领域

本发明涉及超声振动系统，具体来说是一种多频超声振动系统。

背景技术

目前，超声振动时效处理已经越来多应用于铸件、锻件、焊接件、模具、机械加工件以及仪器仪表、精密加工制造的残余应力去除。超声振动时效为高频振动，该时效处理后构件宏观变形量非常小，不易导致构件产生疲劳损伤，具有效率高、工艺处理稳定、效果稳定可靠的优势。超声振动系统是实现超声振动时效的核心装备，超声振动系统的好坏决定着超声振动时效的作用效果，而超声振动系统的核心部件为超声电源及其控制方法。

专利CN210225227U提供一种超声电源系统，该系统中包括处理器、电源控制器、数字开关电源。处理器确定超声设备的工作频率，电源控制器确定数字开关电源的开关频率，数字开关电源用于输出开关频率的目标电压。该超声电源系统及超声设备，通过超声设备的工作频率，确定数字开关电源的开关频率，输出目标电压，从而可以降低数字开关电源对超声设备工作频率的干扰，提高超声成像设备的成像效果。

专利CN102350409A提供了可以在同一时刻实现双频同时驱动的超声发生器，该方法同时对双频驱动信号的不同频率范围分别处理，实现不同频率下的频率跟踪与控制，可以选择性地在任意时刻激发任意一种或者几种谐振频率，实现多种频率的超声振动输出。该发生器驱动双频换能器输出两种频率的超声振动进行超声键合、加工等，能对不同频率超声驱动信号的幅值分别进行控制、调整，以适应不同的应用需求。

由于残余应力去除用超声振动能量是由纵波的驻波产生，是入射波与反射波相互干扰而形成的不再推进的正弦或余弦波，产生的超声振动能量也仅在相邻的波腹与波节之间往复变化。采用专利CN102350409A的工作方式，虽然对工作频率的干扰较小，但是由于该系统仅输出单一频率，在消除残余应力时，仅能消除振幅较大位置的残余应力，其他激振位置得不到充足激振能量，在振动节点位置激振能量几乎为零，因此无法有效地消除残余应力。专利CN102350409A虽然采用多频的方法，可以同时输出多种频率，对超声信号的振幅进行控制，但未对各振动频率和振幅进行时间分配和控制，因此各位置的激振能量依然不均匀，甚至出现某些位置振幅为零，因此仍然无法有效地消除残余应力。

因此，目前为止，无论是单频或多频输出的超声振动系统都存在不同位置激振能量不均匀，某些位置振幅为零，导致残余应力去除不完全，甚至不去除的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种输出能量分布均匀的多频超声振动系统，采用以下技术方案：一种输出能量分布均匀的多频超声振动系统，包括：多频超声电源、多频换能器和计算工作站；

所述多频超声电源产生并输出频率可调整的多频电信号；

所述多频换能器接收所述多频超声电源传送的多频电信号，并将多频电信号转换为相应频率的机械振动信号，进行残余应力去除；

所述计算工作站根据得到的多频换能器的工作频率，及对应工作频率下的标定超声振幅，计算所述多频换能器各工作频率的初始相位差、占空比和激振时间配比，并传送给所述多频超声电源，实现多频换能器输出的超声振动在被去除残余应力的工件中传播时能量分布均匀。

所述多频超声电源包括控制单元、信号发生及功率放大模块、频率扫描跟踪模块和匹配电路；