空气中板盘超声辐射声场的研究

发布时间：2020-11-06 05:22

　　 由纵向振动换能器与弯曲振动辐射体组成的纵弯振动-超声辐射系统,结合了纵振换能器大功率、高效率及弯曲振动辐射体低辐射阻抗、大辐射面等特点,在超声悬浮,食品加工过程中的干燥和除泡、污泥处理、超声空气除尘、超声料位、超声测距等领域获得了应用。辐射声场可分为近场和远场,近远场中声压的分布呈现不同特点,实际应用中往往根据需求对两者进行选择。如近场悬浮,其工作机理是在换能器与被悬浮物之间形成高强度声场,利用声场平衡被悬浮物自身的重力,使其被悬浮在一定的高度上,近场具有声压分布不均匀,起伏变化较大的特点,因此对于辐射体近场区域声压分布规律的研究显得尤为重要。在超声料位,超声测距等实际应用中主要利用远场。远场中声源辐射随方向而异,旁瓣会使其所在方向上的非待测目标产生回波干扰,从而影响测量的准确性,因此尖锐的指向性是超声料位,超声测距等的前提保证。综上所述,对纵弯振动-超声辐射系统辐射声场规律的研究,是设计及应用这类超声辐射系统的重要理论基础。常见的弯曲振动辐射体有矩形板和圆形盘两大类几何形状,且同种几何形状的辐射体又可分为平面型和阶梯型。本文对平圆盘辐射体、阶梯圆盘辐射体、矩形平板辐射体、矩形阶梯辐射体、方形平板辐射体、方板阶梯辐射体共计六种板盘辐射声场的规律进行了计算与测试,具体工作如下:(1)以轴对称弯曲振动平圆盘辐射体为基础,推导了阶梯圆盘辐射体的声压及指向性公式,并以一定尺寸平圆盘辐射体为例,选择其表面存在三条节圆的轴对称弯曲振动模态为工作模态,从理论及实验两个方面对该平圆盘辐射体及由其改进得到的三阶圆盘辐射体的振型及指向性进行了研究。实验测试与理论计算的结果基本一致。(2)自由边界条件下,弯曲振动矩形平板辐射体无位移解析解,其振动模态复杂,但在矩形平板辐射体弯曲振动模态中有节线平行于宽边或长边的条纹振动模态,在该振动模态下,整个辐射体位移分布较均匀。本文以矩形平板辐射体的条纹振动模态为工作模态,推导了计算矩形平板辐射体和矩形阶梯辐射体的指向性及轴向声压的表达公式,并以一定尺寸矩形平板辐射体为例,从理论及实验两个方面研究了该平板辐射体与由其改进得到的矩形阶梯辐射体的指向性及轴向声压。结果表明,改进后的矩形阶梯辐射体的振型没有发生变化,矩形阶梯辐射体的指向性比矩形平板辐射体的指向性尖锐,矩形平板辐射体与由其改进得到的矩形阶梯辐射体在各自近场中的声压随轴向距离的增大均有较大起伏变化,在远场声压随轴向距离的增大而缓慢衰减。实验测试与理论计算的结果基本一致。(3)弯曲振动方形平板辐射体本征振动模态复杂,没有一定的规律性,且方形平板辐射体条纹振动模态较少,这些原因使得方板辐射体的应用受到了很大的限制。本文计算发现,用与方形平板辐射体第四阶本征振动频率相同的纵向振动换能器中心激励方形平板辐射体时,方形平板辐射体会出现本征振型中不存在的、节线内侧为菱形同相振动面、节线外侧为等腰直角三角形振动面的响应振型,在该响应振型下方形平板辐射体可方便的改进成方板阶梯辐射体。进一步利用有限元结合数值方法,对算例中具有一定几何尺寸的、四条倾斜直线型节线的响应振型的方形平板辐射体和由其改进得到的方板阶梯辐射体的声压、指向性、指向性影响因素及轴向声压进行了理论计算与实验测试。
【学位单位】：陕西师范大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB55
【部分图文】：

纵弯振动－超声辐射系统主要由两部分组成，即纵向振动换能器与弯曲振动辐??射体，常见的弯曲振动辐射体有矩形板和圆形盘两大类几何形状。纵弯振动－超声??辐射系统的基本结构如图１－３所示。２０世纪７０年代左右西班牙学者Ｇａｌｌｅｇｏ首先提出??了这种超声辐射系统［２５］。最初使用的弯曲振动辐射体为平圆盘，经研究计算表明??弯曲振动平圆盘辐射体由于其振动表面存在节圆，辐射声波在辐射媒质中产坐了??相消干涉现象，导致指向性不尖锐，随后Ｇａｌｌｅｇｏ利用反相位补偿原理设计了同相??弯曲振动阶梯圆盘辐射体，即在平圆盘辐射体表面振动相位相反区域施加厚度等??于传声媒质中辐射声波波长一半的阶梯，这样就可以在阶梯高度所在平面形成同??相弯曲振动，研究结果表明阶梯圆盘辐射体的声辐射效率及指向性均得到了显著??提高［２Ｍ１］。改进之后的阶梯圆盘辐射体由于在其表面施加了一定高度的阶梯，与??未施加阶梯的平圆盘辐射体相比其几何结构、振动频率均发生了变化

陕西师范大学博士学位论文??的基本规律。文献［３７］从分布参数系统与集中参数系统等效的角度出发，根据动??和势能相等的原则，给出了弯曲振动薄圆盘的等效质量和等效弹性系数，得到??共振频率方程及薄圆盘集中参数模型的等效电路。文献［３８］利用实验方法对矩形??射体的振动模态进行了研究，绘制了矩形辐射体的振型图。文献［３９］利用ＷＥＭ??计算了任意精度四边自由矩形薄板辐射体的近似解及其振型。文献［４０］利用有限??方法对四边自由矩形弯曲振动辐射体的振动模态进行了研究。??辐射体

图１－４超声悬浮??
【参考文献】

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本文编号：2872705