縱彎復合超聲換能器的研究與設計.pdf

1、對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，因而存在嚴重的阻抗失配問題。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輻射板等。然而，對于輻射面積比較大的彎曲振動薄板，一般激勵的振動階數都比較高，因而存在彎曲振動的反相區(qū)，導致換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，使彎曲振動以相同

2、的相位振動，從而提高了輻射阻抗及改善了指向性。西班牙學者Gallego首先提出這一設想，并設計出近似模型進行了初步的實驗研究；其后不少學者對帶階梯板的縱彎復合超聲換能器從理論上不斷進行了深入研究，但實際應用研究較少?；谶@些認識，筆者認為有必要結合理論知識，從實踐角度對階梯板超聲換能器做較為系統(tǒng)的研究，畢竟理論和實踐還是有一定距離的，可以從實驗中不斷的發(fā)現問題，為階梯板縱彎復合超聲換能器的應用提供參考。本文首先對縱彎復合超

3、聲換能器的彎曲振動理論進行了研究和計算，推導了圓形平板的彎曲振動理論、圓形階梯板彎曲振動的近似理論和精確理論、繪制了各自的聲場指向性圖、在前人只對個別情形計算的基礎上，根據精確理論利用計算機編程，計算出了給定材料(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(前后兩值分別對應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，一階和二階振動的各節(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(對應半徑為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、以及兩種換能器分別相距30cm時的接收信號，從另一個角度對前述理論進行驗證；再次，根據理論計算值，設計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、以及三種不同結構設計的階梯板(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，以及與之相對應厚度的中心凸型階梯板超聲換能器，并通過一系列實驗，對換能器的接收性能和頻率響應進行了測試驗證，實驗表明，實驗結果與理論假設符合得比較好，對實踐應用具有一定的參考價值。最后，對本文的工作了進行總結，提出文中的不足，并給出改進建議。關鍵詞：氣介超聲換能器，階梯板，彎曲振動，相位補償