[发明专利]一种减弱弯曲振动圆盘非谐振模态干扰的方法

说明书

本发明涉及一种减弱弯曲振动圆盘非谐振模态干扰的方法，通过在圆盘辐射体的背面加工环形调节槽来拉宽辐射体的轴对称谐振频率与其临近的非谐振频率之间的间隔，达到弯曲振动圆盘在大功率振动工作的状态下，拉宽谐振频率与非谐振频率之间的间隔，以便减弱谐振频率附近处的非谐振模态对谐振模态的干扰，使得弯曲振动圆盘振动产生的辐射声场最大程度能保持在谐振模态对应的辐射声场处，而不会受到非谐振模态产生的声场与谐振模态产生的声场干涉相消，提高声作用效率。

技术领域

本发明属于超声技术领域，特别涉及一种超声振动辐射体所产生的非谐振模态干扰消减方法。

背景技术

超声振动换能器激励与之相连的圆盘辐射体，圆盘辐射体产生轴对称弯曲振动，弯曲振动辐射体的辐射阻抗能比较好地与空气介质进行匹配，因而可向空气中辐射强功率超声波，在超声凝聚、超声除泡、超声悬浮等领域内有着重要的应用。在诸多的这些应用中，都希望振动体能工作在轴对称的弯曲谐振动状态，产生指向性尖锐的声波，高效率地工作。

圆盘辐射体包括平面圆盘、一阶梯圆盘和二阶梯圆盘结构，一阶梯圆盘辐射体和二阶梯圆盘辐射体是为了适应某些特殊需要，为了指向性更好，在平面圆盘的基础上，在其辐射面上特定位置处加工阶梯，阶梯的加工形式分为两种，一种是在基底上突出形成阶梯，另一种是在基底上凹进去形成阶梯，根据节线数量将带阶梯的辐射体分为一阶梯圆盘和二阶梯圆盘。

通常，圆盘辐射体在大功率工作状态下，除了会激励出工作所需要的谐振模态外，还会激励出谐振模态附近的非谐振模态，这些模态将与谐振模态耦合，导致辐射体上各振元相位混乱，由此产生的辐射声场将不再是纯净的谐振频率模态产生的声场，而是干涉相消后的指向性不再尖锐、能量分散的声场，工作过程中会伴随有噪声、发热现象。严重时甚至不能正常工作。

发明内容

为了克服现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种能够拉宽辐射体谐振频率与其附近的非谐振频率之间的间隔，可以有效弱化模态耦合产生的负面影响的减弱弯曲振动圆盘非谐振模态干扰的方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种减弱弯曲振动圆盘非谐振模态干扰的方法，其是通过在圆盘辐射体的背面加工环形调节槽来拉宽辐射体轴对称弯曲振动模态下的谐振频率与其临近的非谐振频率之间的间隔，减弱非谐振模态干扰，所述环形调节槽与辐射体同心设置。

上述环形调节槽的加工位置由以下方法确定：

(1)根据圆盘辐射体的几何尺寸确定出圆盘辐射体的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f₀以及与该轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f₀左右相邻的两个非谐振频率，计算出轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f₀与左、右非谐振频率之间的频率差Δf₁和Δf₂；

(2)设定在圆盘辐射体背面所加工的环形调节槽的槽深为h，槽宽为m，利用有限元计算法分析，从圆盘辐射体的圆心至边缘，每隔1mm逐次设定与辐射体同心的环形槽的内半径和外半径，并确定其对应的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f_0ri以及f_0ri与左、右非谐振频率之间的频率差△f_1ri和△f_2ri；

(3)将步骤(2)所确定的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f_0ri与左、右非谐振频率之间的频率差△f_1ri和△f_2ri分别与步骤(1)圆盘辐射体的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f₀与左、右非谐振频率之间的频率差Δf₁和Δf₂进行比较，选取出频率差△f_1ri和△f_2ri均大于频率差Δf₁和Δf₂时所对应的环形槽的内半径和外半径，作为环形调节槽的内半径和外半径，即确定出环形调节槽的开槽位置。