Page 9 - 《应用声学》2021年第3期

第 40 卷 第 3 期 胡理情等： 声子晶体结构在功率超声换能器中的应用 327

得到的结果进行分析，可以得知此换能器能够有效 横向振动存在明显抑制效果。本文还对换能器的前
抑制横向振动时前盖板最佳尺寸是散射体半径为 盖板辐射面的位移进行计算，研究换能器位移分布
4 mm、高度为 56 mm，此时共振频率处在带隙范围 的均匀性。同样采取对前盖板前端的辐射面取截线
内并且加速度幅值的衰减强度接近最大值，对换能 对其纵向位移进行计算，前盖板未开孔时纵向振动
器的耦合振动抑制效果最好。 最大位移与最小位移的之差为 0.19 µm，采用声子

晶体结构前盖板后纵向振动最大位移与最小位移
10 4
ங࠱ʹӧय़ 的之差为减小为 0.12 µm，说明此时换能器的位移
10 3 r/⊲
r/⊲ 分布更加均匀，辐射面的位移分布越均匀，辐射阻抗
r/⊲ 越大，从而辐射功率增大，提升了换能器的性能。
2
10
r/⊲
ҫᤴए־ऄ 10 1
10 0  x
10 -1

10 -2
0 5 10 15 20 25 30
ᮠဋ/kHz
(a) ஈԫங࠱ʹӧय़

नയᰴए
10 3 56 mm y
49 mm
42 mm
10 2 35 mm 图 6 前盖板侧向截线示意图
ҫᤴए־ऄ 10 1 28 mm Fig. 6 Diagram of longitudinal transversal of front

10 0 cover plate
10 -1 ͜ፒ݃ॷर૱ᑟ٨
0.6 ۳̆ܦߕఃʹፇ౞Ғ
10 -2 ᄦ౜ᄊ݃ॷर૱ᑟ٨
0 5 10 15 20 25 30
ᮠဋ/kHz
ᄱࠫͯረ/mm
(b) ஈԫங࠱ʹᰴए 0.4
图 5 加速度响应曲线 0.2
Fig. 5 Acceleration response curve
2.2 声 子 晶 体 结 构 前 盖 板 对 换 能 器 振 动 特 性 0
0 10 20 30 40 50 60
的影响 y/mm
利用有限元的方法基于声子晶体带隙理论对 图 7 换能器的径向位移
前盖板开孔结构的横向振动抑制作用进行了分析， Fig. 7 The radial displacement of the transducer
得到了具有声子晶体结构前盖板的换能器的最佳
设计尺寸，本文接着对径向位移进行计算，研究其 3 结论
对换能器横向振动的抑制效果。将换能器的振型
图通过有限元仿真出后，对换能器前盖板侧面沿 本文基于声子晶体的带隙理论，对夹心式换能
着正对着模型的 y 轴方向从上至下取截线距离为 器进行优化。在传统夹心式换能器基础上，通过将
0 ∼ 56 mm，如图 6 所示。定义取截线的方向为 y 方 换能器的前盖板加工成二维声子晶体结构，使得共
向，通过有限元分析计算得出换能器在径向的相对 振频率处于二维声子晶体结构前盖板的带隙范围
位移如图 7 所示，红色虚线为传统夹心式的径向位 内，从而达到抑制换能器横向振动的目的。这种结
移，黑色实线为具有声子晶体结构前盖板的换能器 构的纵向振动的夹心式换能器的振动模态更加的
的径向位移，径向位移在前盖板开周期性结构孔径 单纯，对换能器的振动特性有明显的优化。本文讨
后明显变小，表明声子晶体结构前盖板对换能器的 论了散射体的半径大小及高度对换能器的共振频