Page 82 - 《应用声学》2022年第4期

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径为 120 mm，将振子环形阵列直径设置为 85 mm、
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90 mm、95 mm、100 mm、105 mm 进行分析。振
إ˜ࠉ 子的输出端直径 d 均为 8 mm。单个振子的激振频
率设为 20 kHz，激励电压设为 110 V，位移幅值为
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20 µm。激振片在不同阵列半径时的振动响应如
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ԍႃ૝ߕ 图 6 所示。不同振子阵列对应的激振片最大振幅及
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激振片中心位置振幅如表1所示。
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图 2 喷丸装置
Fig. 2 Shot peening equipment

2.1 压电振子
压电振子由换能器和变幅杆组成，其结构如
图 3 所示。运用传输矩阵法 [22−24] 计算了压电换能
器前后盖板、复合变幅杆推动级和输出级尺寸。对 图 5 振子阵列
压电振子进行无阻尼自由振动模态分析，其振型如 Fig. 5 Vibrator array
图 4 所示，其共振频率为 19.989 kHz，与设计频率
由图 6 可知，在4 个振子的激励下，激振片内部
20 kHz的偏差较小，误差为0.055%，满足设计要求。
及边缘区域存在多个波峰，4 个压电振子的超声频
纵向振动引起激振片的弯曲振动，激振片的弯曲振
动在沿着以配合面为中心径向传播时相互干涉叠
加，4 列机械波叠加形成的波腹和波节位置即为激
图 3 压电振子
振片振动位移响应的波峰和波谷。在激振片尺寸和
Fig. 3 Piezoelectric vibrator
激振频率确定时，干涉波的波峰和波腹位置以及各
点振幅取决于 4 个振子的阵列直径 D。为了使阵列
型USP达到较好实验效果，激振片的振动波峰应分
z 布均匀，且振幅尽可能大。分析表 1 及图 6 可知，当
0 0.050 0.100 (m) y
0.025 0.075 x 振子阵列直径为95 mm 时，激振片的中心振幅最大
为0.106 mm，振幅极值最大为 0.109 mm，波峰分布
较均匀。故在后续实验中选择95 mm为振子的阵列
直径。
图 4 模态振型云图
Fig. 4 Vibration mode diagram
表 1 不同振子阵列的激振片响应
2.2 振子阵列的设计 Table 1 Vibration response of exciter
将4个压电振子环形阵列布置，如图5所示。利 plate under different array diameter
用振子产生的纵向振动激励激振片产生弯曲振动，
阵列直径 D/mm 最大振幅/mm 中心振幅/mm
激振片高频振动激发弹丸反复冲击工件表面，在
85 0.092 0.091
工件表层植入残余压应力，达到表面强化的效果。
90 0.087 0.074
激振片的振动响应取决于激振片的尺寸、激振频
95 0.109 0.106
率以及振子阵列直径 D。本节主要分析振子阵列
100 0.054 0.002
直径 D 的影响。由于振子法兰盘的限制，振子阵
105 0.075 0.045
列的最小直径设为 85 mm。实验设计的激振片直