弯曲振动气介式超声换能器的振动特性及辐射声场研究.pdfVIP

2004年第 3期 声学与电子工程 总第 75期 弯曲振动气介式超声换能器的振动特性及 辐射声场研究 林书玉 （陕西师范大学应用声学研究所西安 710062） 摘要 本文对弯曲振动气介式超声换能器进行了研究，推出了夹心式换能器与弯曲圆板二者复合振 子的机电等效电路及其总体频率方程，得出了其远场声压分布及指向性的解析表达式，并数值计算了换能 器近场三维声压分布。 关键词 气介超声换能器 共振频率 弯曲振动 辐射声场 随着超声技术的发展，超声在空气介质中 在严重的阻抗失配问题。为了改善声匹配，提 的应用越来越多。超声在气体中的应用主要有 高气介式超声换能器的辐射效率，人们采用了 [1-4] 多层匹配板以及弯曲振动辐射板等。对于多层 两个方面。第一，气体中的超声无损检测 ， 如测距、报警、测厚以及料位检控等。在这类 匹配板换能器，由于声波的多次反射以及匹配 应用中，超声换能器的工作模式大部分为脉冲 材料的选择等问题，限制了其广泛的应用。对 方式，且基本上工作在小信号状态下。为了提 于由纵向振动夹心式换能器与弯曲振动薄圆板 高检测灵敏度，换能器的工作频率比较高，机 组成的复合式换能器，由于具有纵向振动换能 械品质因数较低，以取得令人满意的检测灵敏 器的高效大功率以及弯曲振动圆板的低辐射阻 度，所用的超声换能器主要有压电式以及静电 抗、大辐射面积等特点，在超声空气探测及大 式等。第二，功率超声在气体中的应用，如除 功率气介超声领域中获得了广泛的应用。然而， [5-9] 对于辐射面积比较大的弯曲振动圆板，一般激 尘、干燥、声悬浮以及超声凝聚等 。对于这 类应用，换能器大部分工作于大信号下，且换 励的振动阶数都比较高，换能器辐射面的振动 能器的工作频率比较低，输入功率比较大，以 分布较为复杂，存在弯曲振动的反相区，从而 减少衰减和提高作用距离；同时，要求换能器 导致换能器的辐射阻抗下降、电声效率和声功 具有高的电声效率和尖锐的指向性。所用的超 率降低以及指向性变差等问题。为了改善此类 声换能器主要有气哨、磁致伸缩型和压电式换 换能器的声波辐射问题，必须对其辐射声场进 能器等。 行系统的研究。在此基础上，为了改善声场指 在超声领域，目前应用最广泛的气介式超 向性问题，开槽已成为人们共同采取的一项措 声换能器当属压电型的。其中最主要的包括叠 施。开槽改变了弯曲振动圆板表面振动位移的 片式弯曲换能器、径向振动圆环型换能器以及 相位分布，使弯曲振动圆板以相同的相位振动， 由纵向振动夹心式换能器与弯曲振动圆板组成 从而提高了辐射阻抗及指向性。 的模式转换型大功率气介超声换能器。叠片式 本文对弯曲振动气介式复合超声换能器 弯曲振动超声换能器的结构简单，广泛应用于 的振动特性进行了研究，得出了弯曲圆板辐射 超声及水声领域，但理论分析较为复杂。我国 器在自由边界条件下的共振频率设计方程及其 学者曾对此类换能器进行了比较深入的研究， 等效质量和等效顺度系数，并研究了其