振动模式转换型全方位大功率超声换能器的研究

针对功率超声以及水声技术中对大功率全方位声波辐射器日益增长的迫切需要，本项目提出一种振动模式转换型大功率全方位辐射超声波换能器。该换能器是由传统的纵向郎之万功率超声换能器、纵径耦合振动的金属圆管、以及产生纵向活塞式振动/弯曲振动的金属圆盘三部分组成。项目的研究目的在于探讨一种能够在纵向和径向同时产生大功率辐射的全方位声波辐射器。首先从理论上探讨此类新形换能器的解析设计理论，推导其耦合振动及纵弯振动模式转换的机电等效电路及共振频率方程。在此基础上探讨换能器的性能参数与其几何尺寸及振动模态的依赖关系。其次，利用数值方法对换能器的耦合振动、纵弯振动模态转换、频率响应以及辐射声场进行仿真，给出换能器的纵向、径向振动位移分布和辐射声场与其振动模态及负载阻抗之间的关系。最后，利用激光测振仪及超声C扫描系统等对换能器的机电等效参数、振动位移及辐射声场进行实验研究，为换能器的优化设计提供理论及实验数据。

在功率超声以及水声技术中，振动系统的输出功率以及振动系统的辐射声波作用范围是两个比较重要的技术指标，因此相关的功率超声以及水声领域对大功率全方位声波辐射器的迫切需求是日益增长的。本项目提出了一种振动模式转换型大功率全方位辐射超声波换能器。该换能器是由传统的纵向郎之万功率超声换能器、纵径耦合振动的金属圆管、以及产生纵向活塞式振动/弯曲振动的金属圆盘三部分组成。项目的研究目的在于探讨一种能够在纵向和径向同时产生大功率辐射的全方位声波辐射器。本项目首先从理论上探讨了此类新形换能器的解析设计理论，推导了其耦合振动及纵弯振动模式转换的机电等效电路及共振频率方程。在此基础上探讨了换能器的性能参数与其几何尺寸及振动模态的依赖关系。其次，利用数值方法对换能器的耦合振动、纵弯振动模态转换、频率响应以及辐射声场进行了模拟仿真，给出了换能器的纵向、径向振动位移分布和辐射声场与其振动模态及负载阻抗之间的关系。利用激光测振仪及超声C 扫描系统等对换能器的机电等效参数、振动位移及辐射声场进行实验研究，为换能器的优化设计提供理论及实验数据。