[發明專利]一種同相彎曲振動方形輻射體及其設計方法

有效

• 申請號: 201710075150.2
• 申請日: 2017-02-10
• 公開（公告）號: CN106799345B
• 公開（公告）日: 2018-06-29
• 發明（設計）人: 李娜;賀西平
• 申請（專利權）人: 陜西師范大學
• 主分類號: B06B1/12
• 分類號: B06B1/12
• 代理公司: 西安佩騰特知識產權代理事務所(普通合伙) 61226
• 代理人: 張倩

本發明涉及了一種同相彎曲振動的方形輻射體及其設計方法,其是用縱向振動換能器中心激勵方形輻射板時，有四條傾斜直線型節線的振動模態，在該振動模態下方形輻射板有四條傾斜直線型節線，計算節線位置，在方形輻射板邊長與節線組成的三角形區域加階梯，階梯厚度為輻射體在介質中輻射聲波波長的二分之一，從而在階梯高度所在平面形成同相彎曲振動，這種同相彎曲振動方形輻射體指向性尖銳，輻射阻抗低，可以與空氣介質形成良好的聲匹配，機械加工簡單，此外在頻率相同的情況下,與圓盤和矩形輻射體相比較該方形輻射體的尺寸較小,與40kHz聲波頻率的測距換能器相比較其頻率較低，聲衰減小，傳播距離遠，可用于超聲測距，超聲測量料位。

技術領域

本發明屬于超聲應用技術領域，特別涉及一種同相彎曲振動的方形輻射體及其設計方法。

背景技術

由縱向振動換能器中心激勵彎曲振動輻射體組成的超聲波輻射系統，因彎曲振動輻射體低輻射阻抗、大面積的特點，可向流體介質，尤其是空氣介質中輻射強功率聲波，可用于超聲除塵，超聲凝聚，超聲干燥，超聲清洗等領域。自由邊界圓盤輻射體有位移解析解，相關研究比較深入，并且在平圓盤輻射體基礎上發展出了階梯圓盤輻射體，這種階梯圓盤輻射體雖具有良好的指向性，其聲能分布集中，但小尺寸階梯圓盤輻射體頻率較高，聲衰減較大，因而傳播距離小，且其機械加工復雜，在超聲測距及超聲料位方面的應用受到一定的限制。

發明內容

本發明的目的在于提供一種具有低輻射阻抗、機械加工簡單、指向性尖銳，可實現同相彎曲振動的方形輻射體。

同時本發明還提供了該同相彎曲振動的方形輻射體的設計方法，其設計方法簡單方便。

本發明實現上述目的所采用的技術方案是：

一種同相彎曲振動的方形輻射體，其是在方形輻射板的四個角上分別設置有三棱柱結構的階梯，階梯的厚度h₁為輻射體在介質中輻射聲波波長的二分之一，階梯與方形輻射板接觸的階梯區域是由方形輻射板的邊長與方形輻射板在受中心激勵時能夠出現四條傾斜直線型節線的振動模態下所對應的節線所圍成的三角形區域。

進一步限定，上述方形輻射板邊長a為40～100mm，厚度h為5～11mm。

進一步限定，上述方形輻射板的節線與方形輻射板的邊長相交且呈45°夾角，節線與方形輻射板邊長成等腰直角三角形。

進一步限定，上述方形輻射板的中心激勵半徑為8～10mm，激勵頻率為15～30kHz。

一種上述同相彎曲振動的方形輻射體的設計方法，其是由以下步驟組成：

(1)確定方形輻射板的尺寸，用縱振換能器激勵方形輻射板的中心，有限元方法計算出該方形輻射板上有四條傾斜直線型節線的振動模態；

(2)在步驟的直線型節線的振動模態下，沿方形輻射板的邊長方向計算垂直于方形輻射板的振動位移分布，位移為零的點就是該方形輻射板的節點，方形輻射板相鄰邊對應節點的最短連線就是該方形輻射板的節線，從而確定出方形輻射板的四條節線位置；

(3)根據步驟(2)的節線位置，確定每條節線與相鄰的方形輻射板邊長所圍成的三角形區域即為階梯區域，在該區域內加階梯，階梯厚度為方形輻射板在介質中輻射聲波波長的二分之一，從而在階梯高度所在平面形成同相彎曲振動，即得到同相彎曲振動的方形輻射體。