一种同相弯曲振动方形辐射体及其设计方法与流程

本发明属于超声应用技术领域，特别涉及一种同相弯曲振动的方形辐射体及其设计方法。

背景技术：

由纵向振动换能器中心激励弯曲振动辐射体组成的超声波辐射系统，因弯曲振动辐射体低辐射阻抗、大面积的特点，可向流体介质，尤其是空气介质中辐射强功率声波，可用于超声除尘，超声凝聚，超声干燥，超声清洗等领域。自由边界圆盘辐射体有位移解析解，相关研究比较深入，并且在平圆盘辐射体基础上发展出了阶梯圆盘辐射体，这种阶梯圆盘辐射体虽具有良好的指向性，其声能分布集中，但小尺寸阶梯圆盘辐射体频率较高，声衰减较大，因而传播距离小，且其机械加工复杂，在超声测距及超声料位方面的应用受到一定的限制。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种具有低辐射阻抗、机械加工简单、指向性尖锐，可实现同相弯曲振动的方形辐射体。

同时本发明还提供了该同相弯曲振动的方形辐射体的设计方法，其设计方法简单方便。

本发明实现上述目的所采用的技术方案是：

一种同相弯曲振动的方形辐射体，其是在方形辐射板的四个角上分别设置有三棱柱结构的阶梯，阶梯的厚度h₁为辐射体在介质中辐射声波波长的二分之一，阶梯与方形辐射板接触的阶梯区域是由方形辐射板的边长与方形辐射板在受中心激励时能够出现四条倾斜直线型节线的振动模态下所对应的节线所围成的三角形区域。

进一步限定，上述方形辐射板边长a为40～100mm，厚度h为5～11mm。

进一步限定，上述方形辐射板的节线与方形辐射板的边长相交且呈45°夹角，节线与方形辐射板边长成等腰直角三角形。

进一步限定，上述方形辐射板的中心激励半径为8～10mm，激励频率为15～30kHz。

一种上述同相弯曲振动的方形辐射体的设计方法，其是由以下步骤组成：

(1)确定方形辐射板的尺寸，用纵振换能器激励方形辐射板的中心，有限元方法计算出该方形辐射板上有四条倾斜直线型节线的振动模态；

(2)在步骤的直线型节线的振动模态下，沿方形辐射板的边长方向计算垂直于方形辐射板的振动位移分布，位移为零的点就是该方形辐射板的节点，方形辐射板相邻边对应节点的最短连线就是该方形辐射板的节线，从而确定出方形辐射板的四条节线位置；

(3)根据步骤(2)的节线位置，确定每条节线与相邻的方形辐射板边长所围成的三角形区域即为阶梯区域，在该区域内加阶梯，阶梯厚度为方形辐射板在介质中辐射声波波长的二分之一，从而在阶梯高度所在平面形成同相弯曲振动，即得到同相弯曲振动的方形辐射体。

本发明的同相弯曲振动的阶梯方形辐射体及其设计方法，纵向振动换能器中心激励方形辐射板时，方形辐射板有四条倾斜直线型节线的振动模态，在该振动模态下，确定方形辐射板的节线位置，进而确定方形辐射板上的阶梯区域，本发明的方形辐射体可在阶梯高度所在平面形成同相弯曲振动，且同相弯曲振动方形辐射体的设计方法简单，所得小尺寸同相方形辐射体具有低辐射阻抗、指向性尖锐、声衰减小、传播距离远、机械加工简单等特点，可应用于超声测距、超声料位；大尺寸的同相方形辐射体，辐射阻抗低、指向性尖锐、辐射面大也可应用于其他超声应用环境，如超声除尘，超声凝聚，超声干燥，超声清洗等领域。

附图说明

图1为本发明的方形辐射体结构示意图。

图2为实施例1方形辐射板的振动模态。

图3为实施例1方形辐射体指向性。

图4为实施例2方形辐射板的振动模态。

图5为实施例2方形辐射体指向性。

图6为实施例3方形辐射板的振动模态。

图7为实施例3方形辐射体指向性。

图8为实施例4方形辐射板的振动模态。

图9为实施例4方形辐射体指向性。

具体实施方式

现结合实例对本发明的技术方案进行进一步说明。

(1)确定方形辐射板1的尺寸，纵振换能器3中心激励方形辐射板1，中心激励半径r为8～10mm，激励频率f为15～30kHz，有限元计算该方形辐射板1有四条倾斜直线型节线的振动模态；

(2)在步骤(1)确定的直线型节线振动模态下，沿方形辐射板1的边长方向计算垂直于方形辐射板1的振动位移，位移为零的点就是该方形辐射板1的节点，方形辐射板1相邻边对应节点的最短连线就是该方形辐射板1的节线，节线与方形辐射板1边长相交且呈45°夹角，节线与方形辐射板1边长围成等腰直角三角形，从而确定出方形辐射板1的四条节线位置；

(3)根据步骤(2)的节线位置，确定每条节线与相邻的方形辐射板1边长所围成的等腰直角三角形区域即为阶梯2区域，在该区域内加等腰三角形结构的阶梯2，阶梯2的厚度均为辐射体在介质中辐射声波波长的二分之一，即h₁＝c/2f，c声波在介质中的传播速度，f系统频率,从而在阶梯2高度所在平面形成同相弯曲振动，即得到同相弯曲振动的方形辐射体，结构如图1所示。

该方形辐射体的结构是在方形结构的方形辐射板1的四个角上对应位置设置截面为等腰直角三角形的三棱柱结构阶梯2，即阶梯2与方形辐射板1的接触的阶梯区域是由方形辐射板1的边长与方形辐射板1在受中心激励时能够出现四条倾斜直线型节线的振动模态下所对应的节线所围成的三角形区域，阶梯2厚度均为辐射体在介质中辐射声波波长的二分之一，方形辐射板1边长a为40～100mm，厚度h为5～11mm。

(4)用下述公式计算阶梯方形辐射体的指向性：

利用有限元将辐射体进行网格划分后得到多个微元，其中u_l,ξ_l，(x_l,y_l)分别表示第l个微元的振动速度，振动位移，横纵坐标，微元的振动位移ξ_l与振动速度u_l满足下列关系：

u_l＝jωξ_le^jωt

下述实施例中所有方形辐射板1材料均为45#钢，泊松比ν＝0.28，杨氏模量Ε＝1.96¹¹N/m²，材料密度ρ＝7800Kg/m³。

实施例1：

步骤一：确定方形辐射板1边长a＝100mm,厚度h＝11mm，纵振换能器3激励半径r＝10mm,激励频率f＝15kHz，有限元计算有四条倾斜直线型节线的振动模态，如图2所示。

步骤二：确定节线位置。沿方形辐射板1的边长方向计算垂直于方形辐射板1的振动位移分布，位移为零的点就是该方形辐射板1的节点，方形辐射板1相邻边对应节点的最短连线就是该方形辐射板1的节线，即分别沿方形辐射板1四条边长方向，计算沿边长方向的振动位移分布，得到8个节点的位置坐标。节点1的坐标为(0.030，-0.050,0),节点2的坐标为(0.050，-0.030,0),节点3的坐标为(0.050，0.030,0),节点4的坐标为(0.030,0.050,0),节点5的坐标为(-0.030，0.050,0),节点6的坐标为(0.030,0.050,0),节点7的坐标为(-0.050，-0.030,0),节点8的坐标为(-0.030，-0.050,0)。连接节点1与节点2，节点3与节点4，节点5与节点6，节点7与节点8，如图2所示，得到该方形辐射板1的四条节线，节线两侧振动位移相位相反。

步骤三：根据节线位置，确定方形辐射板1边长与节线围成的等腰直角三角形区域为阶梯2区域，在该区域设置阶梯2，阶梯2厚度为辐射体在介质中辐射声波波长的二分之一，即h₁＝c/2f＝0.022m,c声波在介质中的传播速度，f＝7716Hz辐射系统频率。

步骤四：辐射体指向性计算，如图3所示。

实施例2：

步骤一：确定方形辐射板1边长a＝50mm,厚度h＝6mm，纵振换能器3激励半径r＝9mm,激励频率f＝20kHz，有限元计算有四条倾斜直线型节线的振动模态，如图4所示。

步骤二：确定节线位置。沿方形辐射板1的边长方向计算垂直于方形辐射板1的振动位移分布，位移为零的点就是该方形辐射板1的节点，方形辐射板1相邻边对应节点的最短连线就是该方形辐射板1的节线，即分别沿方形辐射板1四条边长方向，计算沿边长方向的振动位移分布，得到8个节点的位置坐标。节点1的坐标为(0.0175，-0.025,0),节点2的坐标为(0.025，-0.0175,0),节点3的坐标为(0.025，0.0175,0),节点4的坐标为(0.0175,0.025,0),节点5的坐标为(-0.0175，0.025,0),节点6的坐标为(0.0175,0.025,0),节点7的坐标为(-0.025，-0.0175,0),节点8的坐标为(-0.0175，-0.025,0)。连接节点1与节点2，节点3与节点4，节点5与节点6，节点7与节点8，如图4所示，得到该方形辐射板1的四条节线，节线两侧振动位移相位相反。

步骤三：根据节线位置，确定方形辐射板1边长与节线围成的等腰直角三角形区域为阶梯2区域，在该区域加阶梯2，阶梯2厚度为方形辐射板1在介质中辐射声波波长的二分之一，即h₁＝c/2f＝0.012m,c声波在介质中的传播速度，f＝13632Hz辐射声波频率。

步骤四：辐射体指向性计算，如图5所示。

实施例3：

步骤一：确定方形辐射板1边长a＝45mm,厚度h＝5mm，纵振换能器3激励半径r＝8mm,激励频率f＝25kHz，有限元计算该辐射系统节线位置，如图6所示。

步骤二：确定节线位置。沿方形辐射板1的边长方向计算垂直于方形辐射板1的振动位移分布，位移为零的点就是该方形辐射板1的节点，方形辐射板1相邻边对应节点的最短连线就是该方形辐射板1的节线，即分别沿方形辐射板1四条边长方向，计算沿边长方向的振动位移分布，得到8个节点的位置坐标。节点1的坐标为(0.0135，-0.0225,0),节点2的坐标为(0.0225，-0.0135,0),节点3的坐标为(0.0225，0.0135,0),节点4的坐标为(0.0135,0.0225,0),节点5的坐标为(-0.0135，0.0225,0),节点6的坐标为(0.0135,0.0225,0),节点7的坐标为(-0.0225，-0.0135,0),节点8的坐标为(-0.0135，-0.0225,0)。连接节点1与节点2，节点3与节点4，节点5与节点6，节点7与节点8，如图6所示，得到该方形辐射板1的四条节线，节线两侧振动位移相位相反。

步骤三：根据节线位置，确定方形辐射板1边长与节线围成的等腰直角三角形区域为阶梯2区域，在该区域加阶梯2，阶梯2厚度为辐射体在介质中辐射声波波长的二分之一，即h₁＝c/2f＝0.010m,c声波在介质中的传播速度，f＝16366Hz辐射声波频率。

步骤四：辐射体指向性计算，如图7所示。

实施例4：

步骤一：确定方形辐射板1尺寸边长a＝40mm,厚度h＝6mm，纵振换能器3激励半径r＝10mm,激励频率f＝30kHz，有限元计算该辐射系统节线位置，如图8所示。

步骤二：确定节线位置。沿方形辐射板1的边长方向计算垂直于方形辐射板1的振动位移分布，位移为零的点就是该方形辐射板1的节点，方形辐射板1相邻边对应节点的最短连线就是该方形辐射板1的节线，即分别沿方形辐射板1四条边长方向，计算沿边长方向的振动位移分布，得到8个节点的位置坐标。节点1的坐标为(0.010，-0.02,0),节点2的坐标为(0.02，-0.010,0),节点3的坐标为(0.02，0.010,0),节点4的坐标为(0.010,0.02,0),节点5的坐标为(-0.010，0.02,0),节点6的坐标为(0.010,0.02,0),节点7的坐标为(-0.02，-0.010,0),节点8的坐标为(-0.010，-0.02,0)。连接节点1与节点2，节点3与节点4，节点5与节点6，节点7与节点8，如图8所示，得到该方形辐射板1的四条节线，节线两侧振动位移相位相反。

步骤三：根据节线位置，确定方形辐射板1边长与节线围成的等腰直角三角形区域为阶梯2区域，在该区域加阶梯2，阶梯2厚度为辐射体在介质中辐射声波波长的二分之一，即h₁＝c/2f＝0.0068m,c声波在介质中的传播速度，f＝25128Hz辐射声波频率。

步骤四：辐射体指向性计算，如图9所示。

上述实施例所设计的方形辐射体实现同相弯曲振动，均呈现出较好的指向性。