[发明专利]一种同相弯曲振动方形辐射体及其设计方法

说明书

本发明涉及了一种同相弯曲振动的方形辐射体及其设计方法,其是用纵向振动换能器中心激励方形辐射板时，有四条倾斜直线型节线的振动模态，在该振动模态下方形辐射板有四条倾斜直线型节线，计算节线位置，在方形辐射板边长与节线组成的三角形区域加阶梯，阶梯厚度为辐射体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，这种同相弯曲振动方形辐射体指向性尖锐，辐射阻抗低，可以与空气介质形成良好的声匹配，机械加工简单，此外在频率相同的情况下,与圆盘和矩形辐射体相比较该方形辐射体的尺寸较小,与40kHz声波频率的测距换能器相比较其频率较低，声衰减小，传播距离远，可用于超声测距，超声测量料位。

技术领域

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。

发明内容

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。