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研究生： 陳振宇
CHEN, ZHEN-YU
論文名稱： 超音波產生熱應力之探討
INVESTIGATION OF THERMAL STRESSES INTRODUCED BY ULTRASONIC WAVE
指導教授： 王偉中
Dr. WANG, WEI-CHUNG
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 動力機械工程學系
Department of Power Mechanical Engineering
論文出版年： 2004
畢業學年度： 92
語文別： 中文
論文頁數： 71
中文關鍵詞： 超音波加工 、喇叭 、熱應力 、數位光彈法
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    • 超音波加工時，喇叭會因為振動而產生高熱，而這樣的高熱會使得喇叭內部產生熱應力進而會影響加工時的精度與效能，甚至會使得喇叭毀壞，在以往，這樣的熱應力在設計喇叭時並未考慮，而利用數值方法來模擬又相當困難。本研究首次利用數位光彈法來分析因超音波激振工業上最常見的喇叭外形所產生的熱應力分布，以了解應力波在喇叭內的波傳行為和熱應力對不同外形喇叭的影響。

    目錄 一、簡介…………………………………………………………….. 1 二、文獻回顧……………………………………………………….. 3 三、理論…………………………………………………………….. 5 3.1傳統穿透式光彈法………………………………………… 5 3.2數位光彈法………………………………………………… 7 3.3熱彈性波動理論………….………………………………... 8 3.3.1平面波在無限熱彈介質中的運動…………………... 9 四、實驗裝置與試片……………………………………………….. 12 4.1實驗裝置…………………………………………………… 12 4.1.1穿透式光彈儀………………………………………... 12 4.1.2超音波產生器………………………………………... 12 4.1.3影像擷取裝置………………………………………... 12 4.1.4紅外線溫度感測器………………………………….. 13 4.2實驗試片…………………………………………………… 13 五、實驗程序………………………………………………………… 15 5.1試片準備…………………………………………………… 15 5.2量測超音波的振幅量……………………………………… 15 5.3試片與施載具的架設……………………………………… 16 5.4計算實驗影像與真實尺寸之比例因子…………………… 16 5.5開始施載與擷取實驗影像………………………………… 16 5.6實驗影像之條紋級次的判定……………………………… 17 5.7光彈資料點的數據擷取…………………………………… 18 六、結果與討論…………………………………………………….. 19 6.1矩形試片…………………………………………………… 20 6.1.1波動現象………….………………………………… 20 6.1.2熱應力波的影響……………………………………. 23 6.1.3各瞬時的暫態熱應力………………………………. 24 6.2梯形試片…………………………………………………… 26 6.3階梯形試片………………………………………………… 27 6.4時間效應的影響…………………………………………… 28 七、結論…………………………………………………………….. 30 八、未來展望……………………………………………………….. 31 九、參考文獻……………………………………………………….. 32 表目錄 表4.1 光彈材料（PSM-1）之材料特性……..………………… 36 表6.1 各形狀試片J處隨超音波激振時間所產生的光彈條紋級次………………………………………………………. 36 圖目錄 圖4.1 數位光彈儀和超音波產生器……………………… 37 圖4.2 光彈實驗之光路擺置圖………………………………….. 37 圖4.3 超音波產生器…………………………………………….. 38 圖4.4 特製喇叭實景圖………………………………………….. 39 圖4.5 特製喇叭的尺寸圖……………………………………….. 39 圖4.6 矩形試片尺寸圖………………………………………….. 40 圖4.7 梯形試片尺寸圖………………………………………….. 40 圖4.8 階梯形試片尺寸圖……………………………………….. 41 圖5.1 測微儀量測振幅量之示意圖…………………………….. 42 圖5.2 試片黏貼於訂製喇叭前端之示意圖…………………….. 42 圖5.3 實驗流程圖……………………………………………….. 43 圖6.1 超音波射入試片示意圖………………………………….. 44 (a)矩形試片 (b)梯形試片 (a)階梯形試片 圖6.2 入射縱波在自由邊界的反射行為示意圖……………….. 45 圖6.3 不考慮熱應力時受相同超音波激振之矩形試片的應力強度圖…………………………………………………….. 46 (a) 尺寸95.1mm×30mm (b) 尺寸95.1mm×95.1mm 圖6.4 超音波射入矩形試片1秒後之暫態暗場條紋圖……….. 47 圖6.5 超音波射入矩形試片2秒後之暫態暗場條紋圖……….. 47 圖6.6 超音波射入矩形試片3秒後之暫態暗場條紋圖……….. 47 圖6.7 超音波射入矩形試片4秒後之暫態暗場條紋圖……….. 48 圖6.8 超音波射入矩形試片5秒後之暫態暗場條紋圖………... 48 圖6.9 超音波射入矩形試片6秒後之暫態暗場條紋圖……….. 48 圖6.10 超音波激振矩形試片5秒後，釋放掉超音波前後的條紋圖………………………………………………………….. 49 (a) 超音波激振時的動態暗場條紋圖 (b) 釋放掉超音波後瞬間的熱應力暗場條紋圖 (c) 為圖(b)的細線化條紋圖 圖6.11 超音波激振矩形試片10秒後，釋放掉超音波前後的條紋圖……………………………………………………….. 50 (a) 超音波激振時的動態暗場條紋圖 (b) 釋放掉超音波後瞬間的熱應力暗場條紋圖 (c) 為圖(b)的細線化條紋圖 圖6.12 超音波激振矩形試片15秒後，釋放掉超音波前後的條紋圖……………………………………………………….. 51 (a) 超音波激振時的動態暗場條紋圖 (b) 釋放掉超音波後瞬間的熱應力暗場條紋圖 (c) 為圖(b)的細線化條紋圖 圖6.13 超音波激振矩形試片20秒後，釋放掉超音波前後的條紋圖……………………………………………………….. 52 (a) 超音波激振時的動態暗場條紋圖 (b) 釋放掉超音波後瞬間的熱應力暗場條紋圖 (c) 為圖(b)的細線化條紋圖 圖6.14 超音波激振矩形試片25秒後，釋放掉超音波前後的條紋圖……………………………………………………….. 53 (a) 超音波激振時的動態暗場條紋圖 (b) 釋放掉超音波後瞬間的熱應力暗場條紋圖 (c) 為圖(b)的細線化條紋圖 圖6.15 超音波激振矩形試片30秒後，釋放掉超音波前後的條紋圖……………………………………………………….. 54 (a) 超音波激振時的動態暗場條紋圖 (b) 釋放掉超音波後瞬間的熱應力暗場條紋圖 (c) 為圖(b)的細線化條紋圖 圖6.16 超音波射入光彈試片5分鐘之音場…...………………… 55 圖6.17 超音波射入梯形試片1秒後之暫態暗場條紋圖……….. 56 圖6.18 超音波射入梯形試片2秒後之暫態暗場條紋圖……….. 56 圖6.19 超音波射入梯形試片3秒後之暫態暗場條紋圖……….. 56 圖6.20 超音波射入梯形試片4秒後之暫態暗場條紋圖……….. 57 圖6.21 超音波射入梯形試片5秒後之暫態暗場條紋圖……….. 57 圖6.22 超音波射入梯形試片6秒後之暫態暗場條紋圖……….. 57 圖6.23 超音波激振矩梯試片5秒後，釋放掉超音波前後的條紋圖………………………………………………………….. 58 (a) 超音波激振時的動態暗場條紋圖 (b) 釋放掉超音波後瞬間的熱應力暗場條紋圖 (c) 為圖(b)的細線化條紋圖 圖6.24 超音波激振梯形試片10秒後，釋放掉超音波前後的條紋圖……………………………………………………….. 59 (a) 超音波激振時的動態暗場條紋圖 (b) 釋放掉超音波後瞬間的熱應力暗場條紋圖 (c) 為圖(b)的細線化條紋圖 圖6.25 超音波激振梯形試片15秒後，釋放掉超音波前後的條紋圖……………………………………………………….. 60 (a) 超音波激振時的動態暗場條紋圖 (b) 釋放掉超音波後瞬間的熱應力暗場條紋圖 (c) 為圖(b)的細線化條紋圖 圖6.26 超音波激振梯形試片20秒後，釋放掉超音波前後的條紋圖……………………………………………………….. 61 (a) 超音波激振時的動態暗場條紋圖 (b) 釋放掉超音波後瞬間的熱應力暗場條紋圖 (c) 為圖(b)的細線化條紋圖 圖6.27 超音波激振梯形試片25秒後，釋放掉超音波前後的條紋圖……………………………………………………….. 62 (a) 超音波激振時的動態暗場條紋圖 (b) 釋放掉超音波後瞬間的熱應力暗場條紋圖 (c) 為圖(b)的細線化條紋圖 圖6.28 前端無工件的錐形喇叭內部之應力分佈…...…………... 63 圖6.29 超音波射入階梯形試片1秒後之暫態暗場條紋圖…….. 64 圖6.30 超音波射入階梯形試片2秒後之暫態暗場條紋圖…….. 64 圖6.31 超音波射入階梯形試片3秒後之暫態暗場條紋圖…….. 64 圖6.32 超音波射入階梯形試片4秒後之暫態暗場條紋圖…….. 65 圖6.33 超音波射入階梯形試片5秒後之暫態暗場條紋圖…….. 65 圖6.34 超音波射入階梯形試片6秒後之暫態暗場條紋圖…….. 65 圖6.35 超音波激振階梯形試片5秒後，釋放掉超音波前後的條紋圖……………………………………………………….. 66 (a) 超音波激振時的動態暗場條紋圖 (b) 釋放掉超音波後瞬間的熱應力暗場條紋圖 圖6.36 超音波激振階梯形試片10秒後，釋放掉超音波前後的條紋圖…………………………………………………….. 67 (a) 超音波激振時的動態暗場條紋圖 (b) 釋放掉超音波後瞬間的熱應力暗場條紋圖 圖6.37 超音波激振階梯形試片15秒後，釋放掉超音波前後的條紋圖…………………………………………………….. 68 (a) 超音波激振時的動態暗場條紋圖 (b) 釋放掉超音波後瞬間的熱應力暗場條紋圖 圖6.38 超音波激振階梯形試片20秒後，釋放掉超音波前後的條紋圖…………………………………………………….. 69 (a) 超音波激振時的動態暗場條紋圖 (b) 釋放掉超音波後瞬間的熱應力暗場條紋圖 圖6.39 超音波激振階梯形試片25秒後，釋放掉超音波前後的條紋圖…………………………………………………….. 70 (a) 超音波激振時的動態暗場條紋圖 (b) 釋放掉超音波後瞬間的熱應力暗場條紋圖 圖6.40 各形狀試片Z處隨激振時間所產生的光彈條紋級次折線圖………………………………………………………. 71

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