超声波能场技术及应用基础 9787122436856

超声虽然无法被人类听到，但却真实存在于自然界中。许多生物都具有发出超声波的本领，如老鼠、海豚、蝙蝠等。从18世纪开始，人们对超声波技术展开了不懈地研究和探索。超声波领域涉及力学、电磁学、生物学、材料科学等多个门类，是学科交叉最为典型的热点之一。随着研究的不断深入，超声波所蕴含的物理性质及作用机理逐步展示在世人面前，超声波技术已广泛应用于工业检测、机械处理、清洗除油、医学诊疗等多个领域。在医学界，超声刀成为微创手术的有效工具；在机械加工领域，超声几乎可以和任何加工工艺配合使用，成为不可或缺的特种加工工艺方法；在光学及半导体行业，超声是高精密产品清洗的有力手段。超声波技术因其特殊的效应和优势，正在多个行业及领域大放异彩。 
本书主要介绍了超声波能场的相关概念，分析了超声波传播特性以及换能器设计方法，并围绕超声波能场内的“颗粒凝聚”“材料去除”以及“表面强化”三个主题展开探讨。本书既注重超声波能场的基础知识，又关注具体应用和未来趋势，适合机械加工技术人员、科研人员阅读，希望为同行业人员提供思路。 
本书由北京邮电大学严鲁涛和北京信息科技大学张勤俭教授等编写。本书的出版得到了各章作者和编写小组的大力支持，在此一并感谢！感谢北京航空航天大学庄驰、北京交通大学赵慧玲、北京交通大学王会英、北京交通大学俞径舟、北京信息科技大学李海洋，感谢参与编写的陈旺、王伟进、张鑫荣等。 
超声波技术日新月异，其概念和定义也在日臻完善，研究方向愈加广泛，本书撰写时间和收集材料有限，难以覆盖所有进展，因此书中难免有不足之处，敬请广大读者批评指正。 

著者     

本书介绍了超声波能场的基础知识及相关应用，包括超声波场、超声波的传播、超声换能器、超声发生装置设计等，重点关注超声波能场内颗粒的运动、材料去除、表面强化等技术，全面阐述了超声波能场内的凝聚、超声波能场辅助切削（聚晶金刚石、钛合金、复合材料等）、超声波能场内齿轮及车轴的表面强化等应用案例。本书适合机械加工技术人员、科研人员阅读。

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第1章  绪论 001 
1.1  超声波概述 001 
1.1.1  超声波的定义 001 
1.1.2  超声波的类型 002 
1.1.3  超声波技术的应用 003 
1.2  超声波场 004 
1.2.1  行波和驻波 004 
1.2.2  声波速度和声阻抗 005 
1.2.3  声波的反射、折射与透射 006 
1.2.4  声能量密度和声强 008 
1.2.5  聚焦声场特性 009 
1.3  超声波的传播 013 
1.3.1  弹性波 013 
1.3.2  流体中的传播 014 
1.3.3  固体中的传播 014 
1.3.4  弯曲杆件中的传播 018 
1.3.5  生物组织中的传播 019 
1.4  超声换能器 023 
1.4.1  压电材料 023 
1.4.2  压电方程 024 
1.4.3  压电材料振动的模式 025 
本章参考文献 027 

第2章  超声能场内的颗粒凝聚原理 029 
2.1  凝聚技术 029 
2.1.1  电凝聚 029 
2.1.2  热凝聚 030 
2.1.3  化学凝聚 030 
2.1.4  声波凝聚 031 
2.2  超声波能场凝聚 032 
2.3  颗粒在声场中的受力 034 
2.3.1  声波对微粒的夹带作用 034 
2.3.2  驻波场中的受力 039 
2.3.3  行波声场中的受力分析 043 
2.3.4  颗粒动力学分析 046 
2.4  平面驻波场内颗粒的运动 048 
2.4.1  求解步骤 048 
2.4.2  仿真实验设计 054 
2.4.3  结果分析 056 
2.5  聚焦超声驻波场内颗粒的运动 058 
2.5.1  声压的仿真分析 058 
2.5.2  粒子凝聚的仿真分析 062 
2.6  凝聚过程及原理 065 
2.6.1  黏附机理 066 
2.6.2  凝聚过程分析 068 
2.6.3  流体作用的数值解析 070 
本章参考文献 073 

第3章  超声能场内的材料去除原理 075 
3.1  超声能场加工技术 075 
3.1.1  超声加工的基本原理及设备 075 
3.1.2  超声加工的用途 076 
3.2  超声能场加工技术的应用现状 077 
3.2.1  硬脆材料的超声能场加工 077 
3.2.2  深小孔的超声加工 078 
3.2.3  超声复合加工 078 
3.2.4  超声光整加工 079 
3.3  超声能场内磨粒对硬脆材料去除原理 081 
3.3.1  超声加工硬脆材料去除机理 081 
3.3.2  超声能场中磨粒受力 082 
3.3.3  超声加工中工件的受力 084 
3.3.4  超声加工材料去除率 085 
3.4  超声能场加工硬脆材料的表面完整性 087 
3.4.1  工件表面形貌 087 
3.4.2  材料去除及“延-脆”转变机制 088 
3.4.3  微裂纹扩展及表面（亚表面）损伤 088 
本章参考文献 091 

第4章  超声能场内的固体表面强化原理 095 
4.1  超声挤压表面强化技术 095 
4.1.1  超声挤压强化装置 096 
4.1.2  超声挤压强化塑性变形机理 098 
4.2  超声振动挤压强化理论 099 
4.2.1  超声波的机械作用 099 
4.2.2  超声波的物理作用 101 
4.2.3  超声强化后工件表层金属的变形 103 
4.2.4  超声强化过程中工艺系统的刚化 103 
4.2.5  超声振动挤压强化后表面粗糙度的微观分析 104 
4.3  超声振动挤压强化运动及接触应力 105 
4.3.1  超声振动挤压强化运动学 105 
4.3.2  超声振动挤压强化接触分析 107 
4.3.3  超声振动挤压强化应力 107 
本章参考文献 109 

第5章  超声能场发生装置 111 
5.1  超声换能器 111 
5.2  变幅杆 113 
5.2.1  变幅杆的结构及设计 113 
5.2.2  变幅杆的材料 115 
5.2.3  变幅杆的理论模型 115 
5.2.4  变幅杆的有限元分析 120 
5.3  配件设计 126 
5.3.1  后端盖 126 
5.3.2  预应力螺栓 127 
5.4  工具头设计 128 
5.4.1  平面工具头 128 
5.4.2  凹面工具头 131 
5.5  换能器有限元分析 135 
5.5.1  模态及谐响应分析 135 
5.5.2  超声声场特性仿真 137 
本章参考文献 139 

第6章  超声能场内颗粒凝聚及操控应用 140 
6.1  液体中的超声波凝聚及微粒操控 140 
6.1.1  微粒操控装置 140 
6.1.2  微粒操控实验系统 141 
6.1.3  微粒操控实验 142 
6.2  空气中平面驻波场的颗粒凝聚 147 
6.2.1  实验检测总体方案 147 
6.2.2  检测装置 148 
6.2.3  凝聚效果及机理分析 149 
6.3  空气中凹面驻波场的颗粒凝聚 158 
6.3.1  实验台设计 158 
6.3.2  实验装置 159 
6.3.3  实验的方法与过程 160 
6.3.4  凝聚效用及分析 163 
本章参考文献 165 

第7章  超声能场加工应用 166 
7.1  聚晶金刚石超声加工 166 
7.1.1  实验系统及材料 166 
7.1.2  正交实验设计 168 
7.1.3  加工参数对材料去除率的影响 169 
7.1.4  材料去除率模型 171 
7.1.5  工件表面粗糙度 173 
7.2  超声能场辅助切削钛合金 177 
7.2.1  实验系统 177 
7.2.2  钛合金切削效果及分析 178 
7.3  超声能场辅助切割碳化硅（SiC）材料 181 
7.3.1  实验系统 181 
7.3.2  效果及分析 184 
7.4  超声能场在切割复合材料中 188 
7.4.1  实验系统 188 
7.4.2  复合材料切割效果及分析 189 
7.5  相关机理分析 191 
7.5.1  渗流润滑机理 191 
7.5.2  复合材料摩擦机理 195 
7.5.3  切屑碎化机理 198 
本章参考文献 201 

第8章  超声能场表面强化技术应用 203 
8.1  齿轮齿面超声挤压强化 203 
8.1.1  齿轮齿面超声挤压强化装置设计 203 
8.1.2  齿轮齿面超声挤压强化装置实物 209 
8.1.3  齿轮齿面超声挤压强化实验 209 
8.1.4  表面粗糙度 210 
8.1.5  齿面硬度 216 
8.1.6  齿面微观形貌 219 
8.2  车轴超声振动挤压强化 220 
8.2.1  实验材料及强化条件 220 
8.2.2  表观分析 220 
8.2.3  表面粗糙度 221 
8.2.4  表面硬度 224 
8.2.5  耐腐蚀性 226 
8.2.6  摩擦磨损实验 226 
8.2.7  横断面微观结构 228 
8.2.8  拉伸实验 229 
8.2.9  残余应力 231 
本章参考文献 237 

附录一  析因设计实验表 238 

附录二  实验结果表 240 

本书介绍了超声波能场的基础知识及相关应用，包括超声波场、超声波的传播、超声换能器、超声发生装置设计等，重点关注超声波能场内颗粒的运动、材料去除、表面强化等技术，全面阐述了超声波能场内的凝聚、超声波能场辅助切削（聚晶金刚石、钛合金、复合材料等）、超声波能场内齿轮及车轴的表面强化等应用案例。本书适合机械加工技术人员、科研人员阅读。

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