縱彎復(fù)合超聲換能器的研究與設(shè)計(jì).pdf

1、對(duì)于氣介式大功率超聲換能器，由于換能器的聲阻抗與氣體的聲阻抗相差甚遠(yuǎn)，因而存在嚴(yán)重的阻抗失配問題。為了改善聲匹配，提高氣介式超聲換能器的輻射聲功率及效率，大多采用了多層匹配板以及彎曲振動(dòng)輻射板等。然而，對(duì)于輻射面積比較大的彎曲振動(dòng)薄板，一般激勵(lì)的振動(dòng)階數(shù)都比較高，因而存在彎曲振動(dòng)的反相區(qū)，導(dǎo)致?lián)Q能器的輻射阻抗下降、電聲效率和聲功率降低以及指向性變差等問題。為解決這一問題，可以采用階梯板代替平板，改變相位分布，使彎曲振動(dòng)以相同

2、的相位振動(dòng)，從而提高了輻射阻抗及改善了指向性。西班牙學(xué)者Gallego首先提出這一設(shè)想，并設(shè)計(jì)出近似模型進(jìn)行了初步的實(shí)驗(yàn)研究；其后不少學(xué)者對(duì)帶階梯板的縱彎復(fù)合超聲換能器從理論上不斷進(jìn)行了深入研究，但實(shí)際應(yīng)用研究較少。基于這些認(rèn)識(shí)，筆者認(rèn)為有必要結(jié)合理論知識(shí)，從實(shí)踐角度對(duì)階梯板超聲換能器做較為系統(tǒng)的研究，畢竟理論和實(shí)踐還是有一定距離的，可以從實(shí)驗(yàn)中不斷的發(fā)現(xiàn)問題，為階梯板縱彎復(fù)合超聲換能器的應(yīng)用提供參考。本文首先對(duì)縱彎復(fù)合超

3、聲換能器的彎曲振動(dòng)理論進(jìn)行了研究和計(jì)算，推導(dǎo)了圓形平板的彎曲振動(dòng)理論、圓形階梯板彎曲振動(dòng)的近似理論和精確理論、繪制了各自的聲場(chǎng)指向性圖、在前人只對(duì)個(gè)別情形計(jì)算的基礎(chǔ)上，根據(jù)精確理論利用計(jì)算機(jī)編程，計(jì)算出了給定材料(硬鋁LY12)的頻率方程、以及在給定頻率(40kHz)、自由邊界條件下不同階梯板厚度(1.00&5.25mm(前后兩值分別對(duì)應(yīng)階梯板兩階梯的厚度，下同)，2.00&6.25mm，3.00&7.25mm，4.00&8.

4、25mm)時(shí)，一階和二階振動(dòng)的各節(jié)圓半徑；其次利用通用有限元軟件ANSYS模擬了上述給定材料、頻率和自由邊界條件下、兩節(jié)圓(對(duì)應(yīng)半徑為33.8mm)、2.00&6.25mm的圓形階梯板(中心凹型)超聲換能器和相同半徑下2mm厚度圓形平板超聲換能器的輻射聲場(chǎng)、以及兩種換能器分別相距30cm時(shí)的接收信號(hào)，從另一個(gè)角度對(duì)前述理論進(jìn)行驗(yàn)證；再次，根據(jù)理論計(jì)算值，設(shè)計(jì)制作了具有代表性的相同半徑(33.8mm)下，平板、粘泡沫板和階梯板

5、(中心凹型)三類不同的超聲換能器、以及三種不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的階梯板(中心凹型)超聲換能器、多種不同振源直徑的階梯板(中心凹型)超聲換能器，以及與之相對(duì)應(yīng)厚度的中心凸型階梯板超聲換能器，并通過一系列實(shí)驗(yàn)，對(duì)換能器的接收性能和頻率響應(yīng)進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)表明，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論假設(shè)符合得比較好，對(duì)實(shí)踐應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。最后，對(duì)本文的工作了進(jìn)行總結(jié)，提出文中的不足，并給出改進(jìn)建議。關(guān)鍵詞：氣介超聲換能器，階梯板，彎曲振動(dòng)，相位補(bǔ)償