Page 141 - 《应用声学》2020年第1期

第 39 卷 第 1 期 李阿杰等： 碟形超声变幅杆的设计 137

1.3.3 碟形变幅杆的声场分析 在碟形结构处；在变幅杆端部以下 120 mm 和容器
通过 COMSOL 多物理场分析碟形变幅杆在水 底部水域中声压呈现条形分布 [4] ，整个水域声压分
域中超声波的辐射强度及空化区域，可以直观地观 布相对传统变幅杆较为均匀，距离变幅杆较远的水
察整个水域的声场分布情况，为变幅杆的结构设计、 域声压，未出现明显的下降趋势或下降趋势较少。
反应容器的模型构建提供有效参考。碟形变幅杆在 1.3.4 不同水域位置碟形变幅杆的声场分布曲线
水域中声场模拟的边界条件：(1)压电效应传递机械 图 7(b) 的最大声压值相对另外三个要大，而水
振动到变幅杆端部时无能量损耗；(2)水域中声压分 域中的声压大小通过声场分布图难以比较，因此
布对称，声波在水域中无阻尼，无反射；(3)水域中无 以变幅杆为轴心分别向外取半径分别为 50 mm 和
空化泡产生；(4)变幅杆的机械振动或者超声波的压 75 mm 的圆柱面，由于声场分布具有对称性，取任
力振荡不会造成容器中水的运动。 意一条圆柱面的母线，观察母线所对应的声压值分
设置碟形变幅杆入水深度为 85 mm，水域高度 布情况，选取母线为 x 轴线，水域上表面为轴线起
不变，并给换能器施加相同的激励电压，扫描频率为 点，得到声压曲线如图8和图9 所示。从图中可以看
20 kHz，由于水域声压的对称性，图7分别为变幅杆 出，当碟形结构的高度 H 值不同时，声压分布情况
参数 H 为 13 mm、14 mm、15 mm 和 16 mm 的 1/2 不同，但整体声压曲线的波动趋势基本相同，均随着
声场分布图。 水域深度的增加，声压呈波形分布；其中当半径为
如图 7 所示，声场在变幅杆左右两侧对称分布， 50 mm、H 为14 mm 时，随着水域深度增加，声压波
颜色标尺中蓝色到红色的深浅变化代表着声压的 形曲线幅值有下降趋势，而另外三种情况较为稳定，
梯度变化。由图 7 可知，最大声压主要集中分布在
2.5
碟形结构附近，表明变幅杆的最大振幅主要分布 2.0 H/
H/
1.5 H/
H/
1.0
2.49T10 5 Pa 3.97T10 5 Pa
T10 5 T10 5 0.5
2 3 ඵ۫ܦԍ/f10 5 Pa 0
2 -0.5
1 -1.0
1
ܦԍ/Pa -1 ܦԍ/Pa -2.0
0 0 -1.5
-1 -2 -2.5
-3.0
-3
-2 0 50 100 150 200
-4
ඵ۫ງए/mm
-3 -5
-6 半径为 50 mm 的圆柱面声压曲线
-6.27T10 5 图 8
-3.94T10 5
Fig. 8 Cylindrical sound pressure curve with a
(a) H˞13 mmܦڤѬ࣋̈ڏ (b) H˞14 mmܦڤѬ࣋̈ڏ
radius of 50 mm
1.6T10 5 Pa
3.49T10 5 Pa
T10 5 T10 5
1.5 2.0
3
1.0 1.5
2
0.5 1.0
1
0 0.5
ܦԍ/Pa ܦԍ/Pa 0
-0.5 0
-1.0 -1 ඵ۫ܦԍ/f10 5 Pa
-1.5 -2 -0.5
-2.0 -3 -1.0 H/
H/
-2.5 -1.5
-4 H/
-3.0 -2.0 H/
-3.06T10 5 -4.84T10 5
0 50 100 150 200
(c) H˞15 mmܦڤѬ࣋̈ڏ (d) H˞16 mmܦڤѬ࣋̈ڏ ඵ۫ງए/mm
图 7 碟形变幅杆在水域中的声场分布 图 9 半径为 75 mm 的圆柱面声压曲线
Fig. 7 Sound field distribution of the dish-shaped Fig. 9 Cylindrical sound pressure curve with a
horn in water radius of 75 mm