Page 140 - 《应用声学》2020年第1期

136 2020 年 1 月

通过声场分布示意图可知，声场以变幅杆轴线 结构之间的锥形杆，提高了放大倍数，因此该类型变
中心对称，其中沿着轴线方向的水域声压值相对 幅杆在共振时有更大的振动幅度，其中在碟形结构
于其他水域较大，位于变幅杆的端部位置声压相对 边缘处振动幅度最大。碟形变幅杆在 1/2 个振动周
周围声压最大，而最负相声压最大值在变幅杆端部 期内，碟形结构在做上下的往复振动，且上下碟形结
35 mm 附近位置，且声压的大小随着距离变幅杆端 构振动方向相反，如图 5(b) 所示。碟形变幅杆在换
面的增加逐渐降低。正负相位声压较大位置主要集 能器的驱动下，在水域中沿着轴向上下大幅摆动，相
中在变幅杆端部正下方，而在变幅杆轴线以外的水 比传统变幅杆，碟形变幅杆和水域有更大的接触面
域，声压值有较大幅度降低，且声场的分布不均匀， 积和振动幅度。碟状结构在水域中上下摆动时，能
主要由于水域中变幅杆端部振幅最大，声压值偏高， 产生较大的压力差，形成更多的声化泡，并在负相区
气泡从产生到聚集形成气泡云，大量聚集在声波辐 内形成、生长，在正相区内闭合、崩溃，引起更多的压
射端面，阻碍声波传递，造成水域中辐射声压的衰
力冲击和空化射流。
减，空化区域受限，声化学反应不充分，声化学效率
或超声处理效果大幅下降 [19] 。 1.3.2 碟形变幅杆设计

1.3 碟形变幅杆结构设计及声场特性 以传统变幅杆为设计基础，在变幅杆波腹位
1.3.1 碟形变幅杆设计可行性分析 置处，设置两处碟形结构，碟形结构尺寸一致，大
基于传统类型变幅杆，对变幅杆做如下优化。 小相同，如图 6 所示。为了与换能器匹配实现共振，
如图 4 所示，将传统变幅杆设计为复合杆 [16] (等截 变幅杆的总长需要满足 1/2 波长的整数倍。碟形结
面杆和变截面杆复合)，变幅杆所对应的波腹位置， 构的两侧边左右对称，取底边水平且长度不变恒
添加碟形结构。模拟结果如图 5(a) 所示，两处碟形 为 15 mm，过渡圆弧和碟形结构的两侧边相切，过
渡圆弧对应直径大小恒为 7 mm。若声波在平面传
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播均匀，变幅杆的直径不超过 1/4 波长 [13] ，取变幅
杆两端直径分别为 50 mm 和 40 mm。为了使变幅
杆能与水域有更大的接触面积，提高声化学反应
区域，同时考虑到变幅杆复杂结构对频率的影响
图 4 碟形变幅杆结构示意图 较大，因此分别研究不同高度时，碟形变幅杆的声
Fig. 4 Schematic diagram of the dish-shaped horn 场分布情况。考虑到碟形变幅杆的结构较为复杂，
structure 理论计算繁琐，因此通过 SolidWorks 三维建模，并

0 导入到 COMSOL 多物理场分析软件中，进行谐振
0
频率分析，设置扫描频率范围为 19 kHz∼21 kHz，
100 ͯረ/mm 100 ͯረ/mm 提取 20 阶振动模态，通过分析振型和对应频率，
不断对变幅杆进行尺寸优化，得到高度 H 分别为
200 200 13 mm、14 mm、15 mm和16 mm时，换能器和变幅
杆结合后的谐振频率分别为 20.02 kHz、20.07 kHz、
-50 0 50 -50 0 50
ͯረ/mm ͯረ/mm
20.04 kHz和20.05 kHz。
0 0
ͯረ/mm ͯረ/mm
100 100 H

200 200

-50 0 50 -50 0 50
ͯረ/mm ͯረ/mm
图 5 碟形变幅杆的振动模态 图 6 碟形变幅杆结构示意图
Fig. 5 Vibration mode of the dish-shaped horn Fig. 6 Schematic diagram of the dish-shaped horn