由縱向振動換能器與彎曲振動輻射體組成的縱彎振動-超聲輻射系統(tǒng),結合了縱振換能器大功率、高效率及彎曲振動輻射體低輻射阻抗、大輻射面等特點,在超聲懸浮,食品加工過程中的干燥和除泡、污泥處理、超聲空氣除塵、超聲料位、超聲測距等領域獲得了應用。輻射聲場可分為近場和遠場,近遠場中聲壓的分布呈現(xiàn)不同特點,實際應用中往往根據(jù)需求對兩者進行選擇。如近場懸浮,其工作機理是在換能器與被懸浮物之間形成高強度聲場,利用聲場平衡被懸浮物自身的重力,使其被懸浮在一定的高度上,近場具有聲壓分布不均勻,起伏變化較大的特點,因此對于輻射體近場區(qū)域聲壓分布規(guī)律的研究顯得尤為重要。在超聲料位,超聲測距等實際應用中主要利用遠場。遠場中聲源輻射隨方向而異,旁瓣會使其所在方向上的非待測目標產(chǎn)生回波干擾,從而影響測量的準確性,因此尖銳的指向性是超聲料位,超聲測距等的前提保證。綜上所述,對縱彎振動-超聲輻射系統(tǒng)輻射聲場規(guī)律的研究,是設計及應用這類超聲輻射系統(tǒng)的重要理論基礎。常見的彎曲振動輻射體有矩形板和圓形盤兩大類幾何形狀,且同種幾何形狀的輻射體又可分為平面型和階梯型。本文對平圓盤輻射體、階梯圓盤輻射體、矩形平板輻射體、矩形階梯輻射體、方形平板輻射體、方板階梯輻射體共計六種板盤輻射聲場的規(guī)律進行了計算與測試,具體工作如下:(1)以軸對稱彎曲振動平圓盤輻射體為基礎,推導了階梯圓盤輻射體的聲壓及指向性公式,并以一定尺寸平圓盤輻射體為例,選擇其表面存在三條節(jié)圓的軸對稱彎曲振動模態(tài)為工作模態(tài),從理論及實驗兩個方面對該平圓盤輻射體及由其改進得到的三階圓盤輻射體的振型及指向性進行了研究。實驗測試與理論計算的結果基本一致。(2)自由邊界條件下,彎曲振動矩形平板輻射體無位移解析解,其振動模態(tài)復雜,但在矩形平板輻射體彎曲振動模態(tài)中有節(jié)線平行于寬邊或長邊的條紋振動模態(tài),在該振動模態(tài)下,整個輻射體位移分布較均勻。本文以矩形平板輻射體的條紋振動模態(tài)為工作模態(tài),推導了計算矩形平板輻射體和矩形階梯輻射體的指向性及軸向聲壓的表達公式,并以一定尺寸矩形平板輻射體為例,從理論及實驗兩個方面研究了該平板輻射體與由其改進得到的矩形階梯輻射體的指向性及軸向聲壓。結果表明,改進后的矩形階梯輻射體的振型沒有發(fā)生變化,矩形階梯輻射體的指向性比矩形平板輻射體的指向性尖銳,矩形平板輻射體與由其改進得到的矩形階梯輻射體在各自近場中的聲壓隨軸向距離的增大均有較大起伏變化,在遠場聲壓隨軸向距離的增大而緩慢衰減。實驗測試與理論計算的結果基本一致。(3)彎曲振動方形平板輻射體本征振動模態(tài)復雜,沒有一定的規(guī)律性,且方形平板輻射體條紋振動模態(tài)較少,這些原因使得方板輻射體的應用受到了很大的限制。本文計算發(fā)現(xiàn),用與方形平板輻射體第四階本征振動頻率相同的縱向振動換能器中心激勵方形平板輻射體時,方形平板輻射體會出現(xiàn)本征振型中不存在的、節(jié)線內側為菱形同相振動面、節(jié)線外側為等腰直角三角形振動面的響應振型,在該響應振型下方形平板輻射體可方便的改進成方板階梯輻射體。進一步利用有限元結合數(shù)值方法,對算例中具有一定幾何尺寸的、四條傾斜直線型節(jié)線的響應振型的方形平板輻射體和由其改進得到的方板階梯輻射體的聲壓、指向性、指向性影響因素及軸向聲壓進行了理論計算與實驗測試。
【學位單位】：陜西師范大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TB55
【部分圖文】：

縱彎振動－超聲輻射系統(tǒng)主要由兩部分組成，即縱向振動換能器與彎曲振動輻??射體，常見的彎曲振動輻射體有矩形板和圓形盤兩大類幾何形狀�？v彎振動－超聲??輻射系統(tǒng)的基本結構如圖１－３所示。２０世紀７０年代左右西班牙學者Ｇａｌｌｅｇｏ首先提出??了這種超聲輻射系統(tǒng)［２５］。最初使用的彎曲振動輻射體為平圓盤，經(jīng)研究計算表明??彎曲振動平圓盤輻射體由于其振動表面存在節(jié)圓，輻射聲波在輻射媒質中產(chǎn)坐了??相消干涉現(xiàn)象，導致指向性不尖銳，隨后Ｇａｌｌｅｇｏ利用反相位補償原理設計了同相??彎曲振動階梯圓盤輻射體，即在平圓盤輻射體表面振動相位相反區(qū)域施加厚度等??于傳聲媒質中輻射聲波波長一半的階梯，這樣就可以在階梯高度所在平面形成同??相彎曲振動，研究結果表明階梯圓盤輻射體的聲輻射效率及指向性均得到了顯著??提高［２Ｍ１］。改進之后的階梯圓盤輻射體由于在其表面施加了一定高度的階梯，與??未施加階梯的平圓盤輻射體相比其幾何結構、振動頻率均發(fā)生了變化

陜西師范大學博士學位論文??的基本規(guī)律。文獻［３７］從分布參數(shù)系統(tǒng)與集中參數(shù)系統(tǒng)等效的角度出發(fā)，根據(jù)動??和勢能相等的原則，給出了彎曲振動薄圓盤的等效質量和等效彈性系數(shù)，得到??共振頻率方程及薄圓盤集中參數(shù)模型的等效電路。文獻［３８］利用實驗方法對矩形??射體的振動模態(tài)進行了研究，繪制了矩形輻射體的振型圖。文獻［３９］利用ＷＥＭ??計算了任意精度四邊自由矩形薄板輻射體的近似解及其振型。文獻［４０］利用有限??方法對四邊自由矩形彎曲振動輻射體的振動模態(tài)進行了研究。??輻射體

圖１－４超聲懸浮??
【參考文獻】

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本文編號：2872705