CN106970660B - 一种减弱弯曲振动圆盘非谐振模态干扰的方法 - Google Patents

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CN106970660B CN201710281851.1A CN201710281851A CN106970660B CN 106970660 B CN106970660 B CN 106970660B CN 201710281851 A CN201710281851 A CN 201710281851A CN 106970660 B CN106970660 B CN 106970660B
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Abstract

本发明涉及一种减弱弯曲振动圆盘非谐振模态干扰的方法，通过在圆盘辐射体的背面加工环形调节槽来拉宽辐射体的轴对称谐振频率与其临近的非谐振频率之间的间隔，达到弯曲振动圆盘在大功率振动工作的状态下，拉宽谐振频率与非谐振频率之间的间隔，以便减弱谐振频率附近处的非谐振模态对谐振模态的干扰，使得弯曲振动圆盘振动产生的辐射声场最大程度能保持在谐振模态对应的辐射声场处，而不会受到非谐振模态产生的声场与谐振模态产生的声场干涉相消，提高声作用效率。

Description

一种减弱弯曲振动圆盘非谐振模态干扰的方法
技术领域
本发明属于超声技术领域，特别涉及一种超声振动辐射体所产生的非谐振模态干扰消减方法。
背景技术
超声振动换能器激励与之相连的圆盘辐射体，圆盘辐射体产生轴对称弯曲振动，弯曲振动辐射体的辐射阻抗能比较好地与空气介质进行匹配，因而可向空气中辐射强功率超声波，在超声凝聚、超声除泡、超声悬浮等领域内有着重要的应用。在诸多的这些应用中，都希望振动体能工作在轴对称的弯曲谐振动状态，产生指向性尖锐的声波，高效率地工作。
圆盘辐射体包括平面圆盘、一阶梯圆盘和二阶梯圆盘结构，一阶梯圆盘辐射体和二阶梯圆盘辐射体是为了适应某些特殊需要，为了指向性更好，在平面圆盘的基础上，在其辐射面上特定位置处加工阶梯，阶梯的加工形式分为两种，一种是在基底上突出形成阶梯，另一种是在基底上凹进去形成阶梯，根据节线数量将带阶梯的辐射体分为一阶梯圆盘和二阶梯圆盘。
通常，圆盘辐射体在大功率工作状态下，除了会激励出工作所需要的谐振模态外，还会激励出谐振模态附近的非谐振模态，这些模态将与谐振模态耦合，导致辐射体上各振元相位混乱，由此产生的辐射声场将不再是纯净的谐振频率模态产生的声场，而是干涉相消后的指向性不再尖锐、能量分散的声场，工作过程中会伴随有噪声、发热现象。严重时甚至不能正常工作。
发明内容
为了克服现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种能够拉宽辐射体谐振频率与其附近的非谐振频率之间的间隔，可以有效弱化模态耦合产生的负面影响的减弱弯曲振动圆盘非谐振模态干扰的方法。
本发明所采用的技术方案是：
一种减弱弯曲振动圆盘非谐振模态干扰的方法，其是通过在圆盘辐射体的背面加工环形调节槽来拉宽辐射体轴对称弯曲振动模态下的谐振频率与其临近的非谐振频率之间的间隔，减弱非谐振模态干扰，所述环形调节槽与辐射体同心设置。
上述环形调节槽的加工位置由以下方法确定：
(1)根据圆盘辐射体的几何尺寸确定出圆盘辐射体的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0以及与该轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0左右相邻的两个非谐振频率，计算出轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0与左、右非谐振频率之间的频率差Δf1和Δf2；
(2)设定在圆盘辐射体背面所加工的环形调节槽的槽深为h，槽宽为m，利用有限元计算法分析，从圆盘辐射体的圆心至边缘，每隔1mm逐次设定与辐射体同心的环形槽的内半径和外半径，并确定其对应的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0ri以及f0ri与左、右非谐振频率之间的频率差△f1ri和△f2ri；
(3)将步骤(2)所确定的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0ri与左、右非谐振频率之间的频率差△f1ri和△f2ri分别与步骤(1)圆盘辐射体的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0与左、右非谐振频率之间的频率差Δf1和Δf2进行比较，选取出频率差△f1ri和△f2ri均大于频率差Δf1和Δf2时所对应的环形槽的内半径和外半径，作为环形调节槽的内半径和外半径，即确定出环形调节槽的开槽位置。
进一步限定，上述步骤(3)是：将步骤(2)所确定的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0ri与左、右非谐振频率之间的频率差△f1ri和△f2ri分别与步骤(1)圆盘辐射体的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0与左、右非谐振频率之间的频率差Δf1和Δf2进行比较，选取出频率差△f1ri和△f2ri均大于频率差Δf1和Δf2且差值最大的一组，其所对应的环形槽的内半径和外半径即作为环形调节槽的内半径和外半径，即确定出环形调节槽的最佳开槽位置。
上述步骤(3)之后包括步骤(4)和(5)，确定环形调节槽的槽宽，具体如下：
(4)根据步骤(3)所确定出的环形调节槽的内半径，设定环形调节槽的槽深为h，利用有限元计算法分析，确定出不同槽宽时辐射体所对应的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0mi以及f0mi与左、右非谐振频率之间的频率差△f1mi和△f2mi；
(5)将步骤(4)所确定的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0mi与左、右非谐振频率之间的频率差△f1mi和△f2mi分别与步骤(1)圆盘辐射体的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0与左、右非谐振频率之间的频率差Δf1和Δf2进行比较，选取出频率差△f1mi和△f2mi均大于频率差Δf1和Δf2时所对应的环形槽的槽宽即为环形调节槽的槽宽。
进一步限定，所述(5)将步骤(4)所确定的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0mi与左、右非谐振频率之间的频率差△f1mi和△f2mi分别与步骤(1)圆盘辐射体的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0与左、右非谐振频率之间的频率差Δf1和Δf2进行比较，选取出频率差△f1mi和△f2mi均大于频率差Δf1和Δf2且差值最大的一组数据所对应的环形槽的槽宽即为环形调节槽的最佳槽宽。
在上述步骤(5)之后还包含有步骤(6)，确定环形调节槽的槽深，具体是：根据步骤(3)和步骤(5)所确定的环形调节槽内半径以及槽宽，再利用有限元计算法分析不同槽深所对应的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0hi与左、右非谐振频率之间的频率差△f1hi和△f2hi，将所确定的频率差△f1hi和△f2hi分别与步骤(1)圆盘辐射体的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0与左、右非谐振频率之间的频率差Δf1和Δf2进行比较，选取出频率差△f1hi和△f2hi均大于频率差Δf1和Δf2时所对应的环形槽的槽深即为环形调节槽的槽深，从而确定出该圆盘辐射体背面所加工的环形调节槽的槽深。
进一步限定，在步骤(5)之后还包含有步骤(6)，确定环形调节槽的槽深，具体是：根据步骤(3)和步骤(5)所确定的环形调节槽内半径以及槽宽，再利用有限元计算法分析不同槽深所对应的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0hi与左、右非谐振频率之间的频率差△f1hi和△f2hi，将所确定的频率差△f1hi和△f2hi分别与步骤(1)圆盘辐射体的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0与左、右非谐振频率之间的频率差Δf1和Δf2进行比较，选取出频率差△f1hi和△f2hi均大于频率差Δf1和Δf2时所对应的环形槽的槽深即为环形调节槽的槽深，从而确定出该圆盘辐射体背面所加工的环形调节槽的槽深。
进一步限定，上述步骤(6)，确定环形调节槽的槽深，具体是：根据步骤(3)和步骤(5)所确定的环形调节槽内半径以及槽宽，再利用有限元计算法分析不同槽深所对应的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0hi与左、右非谐振频率之间的频率差△f1hi和△f2hi，将所确定的频率差△f1hi和△f2hi分别与步骤(1)圆盘辐射体的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0与左、右非谐振频率之间的频率差Δf1和Δf2进行比较，选取出频率差△f1hi和△f2hi均大于频率差Δf1和Δf2且差值最大的一组所对应的环形槽的槽深即为环形调节槽的最佳槽深。
进一步限定，上述圆盘辐射体为平面圆盘或一阶梯圆盘或二阶梯圆盘结构的辐射体。
进一步限定，上述平面圆盘、一阶梯圆盘以及二阶梯圆盘的半径为15～200mm，基底厚度为2～10mm。
本发明的减弱弯曲振动圆盘非谐振模态干扰的方法，主要是通过在弯曲振动圆盘后表面一定位置处开一定几何尺寸的槽，达到弯曲振动圆盘在大功率振动工作的状态下，拉宽谐振频率与非谐振频率之间的间隔，以便减弱谐振频率附近处的非谐振模态对谐振模态的干扰，使得弯曲振动圆盘振动产生的辐射声场最大程度能保持在谐振模态对应的辐射声场处，而不会受到非谐振模态产生的声场与谐振模态产生的声场干涉相消影响，进而提高声作用效率。
附图说明
图1为实施例1中一阶梯圆盘辐射体的结构示意图。
图2为图1的俯视图。
图3为实施例2中平面梯圆盘辐射体的结构示意图。
图4为图3的俯视图。
图5为实施例3中二阶梯圆盘辐射体的结构示意图。
图6为图5的俯视图。
具体实施方式
现结合附图和实施例对本发明的技术方案进行进一步说明。
实施例1
以一阶梯圆盘辐射体为例进行说明。
如图1和2所示，该一阶梯圆盘半径为35.1mm，基底1厚度为5mm，阶梯2厚度为8.5mm，现通过在圆盘辐射体的背面加工一个环形调节槽a来拉宽辐射体谐振频率与其临近的非谐振频率之间的间隔，以减弱谐振频率附近处的非谐振模态对谐振模态的干扰，使得弯曲振动圆盘振动产生的辐射声场最大程度保持在谐振模态对应的辐射声场处，而不会受到非谐振模态产生的声场与谐振模态产生的声场干涉相消影响，进而提高声作用效率。该环形调节槽a与辐射体是同心设置，槽深不超过圆盘的基底1厚度，具体该环形调节槽a的加工位置以及几何尺寸由以下方法确定：
(1)根据一阶梯圆盘辐射体的几何尺寸确定出圆盘辐射体的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0以及与该轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0左右相邻的两个非谐振频率，计算出轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0与左、右非谐振频率之间的频率差Δf1和Δf2；
轴对称弯曲振动模态下的谐振频率为f0＝19611Hz，左非谐振频率为f1＝13546Hz，左非谐振频率与谐振频率f0间隔为Δf1＝6065Hz，右非谐振频率f2＝21139Hz，右非谐振频率与谐振频率f0间隔为Δf2＝1528Hz。
(2)设定在圆盘辐射体背面所加工的环形调节槽a的槽深h为2mm，槽宽为m为2mm，利用有限元计算法分析，从圆盘辐射体的圆心至边缘，每隔1mm逐次设定与辐射体同心的环形槽的内半径和外半径，并确定其对应的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0ri以及f0ri与左、右非谐振频率之间的频率差△f1ri和△f2ri；
表1 有限元计算法分析一阶梯圆盘辐射体开槽位置的结果
(3)将步骤(2)所确定的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0ri与左、右非谐振频率之间的频率差△f1ri和△f2ri分别与步骤(1)圆盘辐射体的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0与左、右非谐振频率之间的频率差Δf1和Δf2进行比较，选取出频率差△f1ri和△f2ri均大于频率差Δf1和Δf2且差值最大时所对应的环形槽的内半径和外半径，分别作为环形调节槽a的最佳内半径和外半径；
从上述表1中可以看出，当环形槽的内半径为30mm，外半径为32mm时，经过计算，轴对称弯曲振动模态下的谐振频率变为f0ri＝19360Hz，左非谐振频率为f1ri＝13598Hz，与谐振频率f0间隔为△f1ri＝5962Hz，右非谐振频率f2ri＝20300Hz，与谐振频率f0ri间隔为△f2ri＝940Hz，△f1ri小于原左非谐振频率差Δf1，△f2ri小于右非谐振频率差Δf2，即该位置并未真正解决非谐振模态干扰的问题。
当环形槽的内半径为10mm，外半径为12mm时，经过计算，轴对称弯曲振动模态下的谐振频率变为f0ri＝19146Hz，左非谐振频率f1ri＝13048Hz，与谐振频率f0ri间隔为△f1ri＝6098Hz，右非谐振频率f2ri＝20934Hz，与谐振频率f0ri间隔为△f2ri＝1788Hz，左、右非谐振频率差均大于原Δf1和Δf2，选出差值最大的一组数据所对应的环形槽的内半径和外半径，即可作为环形调节槽a的内半径和外半径，即本实施例的环形调节槽a的位置在内半径为10mm位置处最佳。
(4)根据步骤(3)所确定出的环形调节槽a的内半径r1＝10mm，设定环形调节槽a的槽深h＝2mm，利用有限元计算法分析，确定出不同槽宽时辐射体所对应的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0mi以及f0mi与左、右非谐振频率之间的频率差△f1mi和△f2mi，如表2所示。
(5)将步骤(4)所确定的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0mi与左、右非谐振频率之间的频率差△f1mi和△f2mi分别与步骤(1)圆盘辐射体的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0与左、右非谐振频率之间的频率差Δf1和Δf2进行比较，选取出频率差△f1mi和△f2mi均大于频率差Δf1和Δf2且差值最大时所对应的环形槽的槽宽，作为环形调节槽a的最佳槽宽；
表2 为有限元计算法分析一阶梯圆盘辐射体环形调节槽a槽宽的结果
从表2数据可以看出，当环形槽的槽宽设定为2mm时，轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0mi与左、右非谐振频率f1mi、f2mi之间的频率差△f1mi和△f2mi同时大于原频率差Δf1和Δf2，即环形调节槽a的槽宽为2mm时谐振频率与左、右非谐振频率之间的间隔最大，能够减弱非谐振模态干扰。
(6)根据步骤(3)和步骤(5)所确定的环形调节槽a内半径r1＝0mm，槽宽m＝2mm，再利用有限元计算法分析不同槽深所对应的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0hi与左、右非谐振频率之间的频率差△f1hi和△f2hi，将所确定的频率差△f1hi和△f2hi分别与步骤(1)圆盘辐射体的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0与左、右非谐振频率之间的频率差Δf1和Δf2进行比较，选取出频率差△f1hi和△f2hi均大于频率差Δf1和Δf2且差值最大时所对应的环形槽的槽深，作为环形调节槽a的最佳槽深，从而确定出该圆盘辐射体背面所加工的环形调节槽a的最佳位置和几何尺寸。
表3 为有限元计算法分析一阶梯圆盘辐射体环形调节槽a槽深的结果
从表3的数据分析可以看出，当槽深为2mm时，轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0hi与左、右非谐振频率f1hi、f2hi，之间的频率差△f1hi和△f2hi，同时大于未开槽时的原频率差Δf1和Δf2，即环形调节槽a的槽深为2mm时谐振频率与左、右非谐振频率之间的间隔最大，能够减弱非谐振模态干扰。
由此可以确定出环形调节槽a的位置为距离中心10mm处，即环形调节槽a的内径r1＝10mm，槽宽m＝2mm，槽深h＝2mm，此时能够保证左、右非谐振频率与谐振频率之间的间隔最大，即由左、右非谐振频率所产生的干扰最小，能够有效减弱弯曲振动圆盘的非谐振模态干扰。
实施例2
以平面圆盘辐射体为例进行说明。
如图3和4所示，该平面圆盘辐射体半径为118mm，第一节线半径为23mm，第二节线半径为52.5mm，第三节线半径为82mm，第四节线半径为107.6mm，轴对称弯曲振动模态下的谐振频率为22246kHz，现通过在圆盘辐射体的背面加工一个环形调节槽a来拉宽辐射体谐振频率与其临近的非谐振频率之间的间隔，以减弱谐振频率附近处的非谐振模态对谐振模态的干扰，使得弯曲振动圆盘振动产生的辐射声场最大程度保持在谐振模态对应的辐射声场处，而不会受到非谐振模态产生的声场与谐振模态产生的声场干涉相消影响，进而提高声作用效率。该环形调节槽a与辐射体是同心设置，槽深不超过圆盘的基底1厚度，具体该环形调节槽a的加工位置以及几何尺寸由以下方法确定：
(1)根据平面圆盘辐射体的几何尺寸确定出圆盘辐射体的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0以及与该轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0左右相邻的两个非谐振频率，计算出轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0与左、右非谐振频率之间的频率差Δf1和Δf2；
轴对称弯曲振动模态下的谐振频率为f0＝22246Hz，左非谐振频率为f1＝21775Hz，左非谐振频率与谐振频率f0间隔为Δf1＝471Hz，右非谐振频率f2＝22784Hz，右非谐振频率与谐振频率f0间隔为Δf2＝538Hz。
(2)设定在圆盘辐射体背面所加工的环形调节槽a的槽深h为2mm，槽宽为m为2mm，利用有限元计算法分析，从圆盘辐射体的圆心至边缘，每隔1mm逐次设定与辐射体同心的环形槽的内半径和外半径，并确定其对应的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0ri以及f0ri与左、右非谐振频率之间的频率差△f1ri和△f2ri；
表4 有限元计算法分析平面圆盘辐射体开槽位置的结果
(3)将步骤(2)所确定的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0ri与左、右非谐振频率之间的频率差△f1ri和△f2ri分别与步骤(1)圆盘辐射体的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0与左、右非谐振频率之间的频率差Δf1和Δf2进行比较，选取出频率差△f1ri和△f2ri均大于频率差Δf1和Δf2且差值最大时所对应的环形槽的内半径和外半径，分别作为环形调节槽a的最佳内半径和外半径；
从上述表4中可以看出，当环形槽的内半径r1为54mm，外半径r2为56mm时，经过计算，轴对称弯曲振动模态下的谐振频率变为f0ri＝21883Hz，左非谐振频率为f1ri＝21282Hz，与谐振频率f0间隔为△f1ri＝601Hz，右非谐振频率f2ri＝22693Hz，与谐振频率f0ri间隔为△f2ri＝810Hz，左、右非谐振频率差△f1ri、△f2ri均大于原Δf1和Δf2，选出差值最大的一组数据所对应的环形槽的内半径和外半径，即可作为环形调节槽a的内半径和外半径，即本实施例的环形调节槽a的位置在内半径为54mm位置处。
(4)根据步骤(3)所确定出的环形调节槽a的内半径r1＝54mm，设定环形调节槽a的槽深h＝2mm，利用有限元计算法分析，确定出不同槽宽时辐射体所对应的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0mi以及f0mi与左、右非谐振频率之间的频率差△f1mi和△f2mi，如表5所示。
(5)将步骤(4)所确定的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0mi与左、右非谐振频率之间的频率差△f1mi和△f2mi分别与步骤(1)圆盘辐射体的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0与左、右非谐振频率之间的频率差Δf1和Δf2进行比较，选取出频率差△f1mi和△f2mi均大于频率差Δf1和Δf2且差值最大时所对应的环形槽的槽宽，作为环形调节槽a的最佳槽宽；
表5 为有限元计算法分析平面圆盘辐射体环形调节槽a的槽宽结果
从表5数据可以看出，当环形槽的槽宽设定为2mm时，轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0mi与左、右非谐振频率f1mi、f2mi之间的频率差△f1mi和△f2mi同时大于原频率差Δf1和Δf2，即环形调节槽a的槽宽为2mm时谐振频率与左、右非谐振频率之间的间隔最大，能够减弱非谐振模态干扰。
(6)根据步骤(3)和步骤(5)所确定的环形调节槽a内半径r1＝54mm，槽宽h＝2mm，再利用有限元计算法分析不同槽深所对应的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0hi与左、右非谐振频率之间的频率差△f1hi和△f2hi，将所确定的频率差△f1hi和△f2hi分别与步骤(1)圆盘辐射体的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0与左、右非谐振频率之间的频率差Δf1和Δf2进行比较，选取出频率差△f1hi和△f2hi均大于频率差Δf1和Δf2且差值最大时所对应的环形槽的槽深，作为环形调节槽a的最佳槽深，从而确定出该圆盘辐射体背面所加工的环形调节槽a的最佳位置和几何尺寸。
表6 为有限元计算法分析平面圆盘辐射体环形调节槽a槽深的结果
从表6的数据分析可以看出，当槽深为2mm时，轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0hi与左、右非谐振频率f1hi、f2hi之间的频率差△f1hi和△f2hi同时大于原频率差Δf1和Δf2，即环形调节槽a的槽深为2mm时谐振频率与左、右非谐振频率之间的间隔最大，能够减弱非谐振模态干扰。
由此可以确定出环形调节槽a的位置为距离中心54mm处，即环形调节槽a的内径r1为54mm，槽宽m＝2mm，槽深h＝2mm，此时能够保证左、右非谐振频率与谐振频率之间的间隔最大，即由左、右非谐振频率所产生的干扰最小，能够有效减弱弯曲振动圆盘的非谐振模态干扰。
实施例3
以二阶梯圆盘辐射体为例进行说明。
如图5和6所示，该二阶梯圆盘辐射体半径为57.5mm，基底1厚度为5mm，阶梯2厚度为8.5mm，内节线半径为22mm，外节线半径为46mm，现通过在二阶梯圆盘辐射体的背面加工一个环形调节槽a来拉宽辐射体谐振频率与其临近的非谐振频率之间的间隔，以减弱谐振频率附近处的非谐振模态对谐振模态的干扰，使得弯曲振动圆盘振动产生的辐射声场最大程度保持在谐振模态对应的辐射声场处，而不会受到非谐振模态产生的声场与谐振模态产生的声场干涉相消影响，进而提高声作用效率。该环形调节槽a与辐射体是同心设置，槽深不超过圆盘的基底1厚度，具体该环形调节槽a的加工位置以及几何尺寸由以下方法确定：
(1)根据二阶梯圆盘辐射体的几何尺寸确定出二阶梯圆盘辐射体的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0以及与该轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0左右相邻的两个非谐振频率，计算出轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0与左、右非谐振频率之间的频率差Δf1和Δf2；
轴对称弯曲振动模态下的谐振频率为f0＝21471Hz，左非谐振频率为f1＝18444Hz，左非谐振频率与谐振频率f0间隔为Δf1＝3027Hz，右非谐振频率f2＝21483Hz，右非谐振频率与谐振频率f0间隔为Δf2＝12Hz。
(2)设定在二阶梯圆盘辐射体背面所加工的环形调节槽a的槽深h为2mm，槽宽为m＝2mm，利用有限元计算法分析，从圆盘辐射体的圆心至边缘，每隔1mm逐次设定与辐射体同心的环形槽的内半径和外半径，并确定其对应的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0ri以及f0ri与左、右非谐振频率之间的频率差△f1ri和△f2ri；
表7 有限元计算法分析二阶梯圆盘辐射体开槽位置的结果
(3)将步骤(2)所确定的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0ri与左、右非谐振频率之间的频率差△f1ri和△f2ri分别与步骤(1)二阶梯圆盘辐射体的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0与左、右非谐振频率之间的频率差Δf1和Δf2进行比较，选取出频率差△f1ri和△f2ri均大于频率差Δf1和Δf2且差值最大时所对应的环形槽的内半径和外半径，分别作为环形调节槽a的最佳内半径和外半径；
从上述表7中可以看出，当环形槽的内半径为15mm，外半径为17mm时，经过计算，轴对称弯曲振动模态下的谐振频率变为f0ri＝20836Hz，左非谐振频率为f1ri＝17803Hz，与谐振频率f0间隔为△f1ri＝3033Hz，右非谐振频率f2ri＝21524Hz，与谐振频率f0ri间隔为△f2ri＝688Hz，左、右非谐振频率差△f1ri和△f2ri均大于原Δf1和Δf2，选出差值最大的一组数据所对应的环形槽的内半径和外半径，即可作为环形调节槽a的内半径和外半径，即本实施例的环形调节槽a的位置在内半径为15mm位置处。
(4)根据步骤(3)所确定出的环形调节槽a的内半径r1＝15mm，设定环形调节槽a的槽深h＝2mm，利用有限元计算法分析，确定出不同槽宽时辐射体所对应的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0mi以及f0mi与左、右非谐振频率之间的频率差△f1mi和△f2mi，如表8所示。
(5)将步骤(4)所确定的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0mi与左、右非谐振频率之间的频率差△f1mi和△f2mi分别与步骤(1)二阶梯圆盘辐射体的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0与左、右非谐振频率之间的频率差Δf1和Δf2进行比较，选取出频率差△f1mi和△f2mi均大于频率差Δf1和Δf2且差值最大时所对应的环形槽的槽宽，作为环形调节槽a的最佳槽宽；
表8 为有限元计算法分析二阶梯圆盘辐射体环形调节槽a的槽宽结果
从表8数据可以看出，当环形槽的槽宽设定为2mm时，轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0mi与左、右非谐振频率f1mi、f2mi之间的频率差△f1mi和△f2mi同时大于原频率差Δf1和Δf2，即环形调节槽a的槽宽为2mm时谐振频率与左、右非谐振频率之间的间隔最大，能够减弱非谐振模态干扰。
(6)根据步骤(3)和步骤(5)所确定的环形调节槽a内半径r1＝15mm，槽宽m＝2mm，再利用有限元计算法分析不同槽深所对应的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0i与左、右非谐振频率之间的频率差△f1hi和△f2hi，将所确定的频率差△f1hi和△f2hi分别与步骤(1)二阶梯圆盘辐射体的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0与左、右非谐振频率之间的频率差Δf1和Δf2进行比较，选取出频率差△f1hi和△f2hi均大于频率差Δf1和Δf2且差值最大时所对应的环形槽的槽深，作为环形调节槽a的最佳槽深，从而确定出该二阶梯圆盘辐射体背面所加工的环形调节槽a的最佳位置和几何尺寸。
表9 为有限元计算法分析二阶梯圆盘辐射体环形调节槽a槽深的结果
从表9的数据分析可以看出，当槽深为2mm时，轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0hi与左、右非谐振频率f1hi、f2hi之间的频率差△f1hi和△f2hi同时大于原频率差Δf1和Δf2，即环形调节槽a的槽深为2mm时谐振频率与左、右非谐振频率之间的间隔最大，能够减弱非谐振模态干扰。
由此可以确定出环形调节槽a的位置为距离中心15mm处，即环形调节槽a的内径r1为15mm，槽宽m＝2mm，槽深h＝2mm，此时能够保证左、右非谐振频率与谐振频率之间的间隔最大，即非谐振频率所产生的干扰最小，能够有效减弱弯曲振动圆盘的非谐振模态干扰。
上述实施例所涉及的平面圆盘、一阶梯圆盘以及二阶梯圆盘的半径还可以在15～200mm范围内调整，同时平面圆盘、一阶梯圆盘以及二阶梯圆盘的基底1厚度也可以在2～10mm范围内调整，对于上述一阶梯圆盘辐射体或二阶梯圆盘辐射体或平面圆盘辐射体而言，环形调节槽a的加工位置主要是根据其尺寸和结构按照上述的方法进行确定，本发明是利用有限元法进行数据分析筛选，其方法简单，能够有效减弱圆盘辐射体在谐振频率附近所产生的非谐振频率的干扰和影响，保证声利用率高。

Claims (9)

1.一种减弱弯曲振动圆盘非谐振模态干扰的方法，其特征在于：该方法是通过在圆盘辐射体的背面加工环形调节槽来拉宽辐射体轴对称弯曲振动模态下的谐振频率与其临近的非谐振频率之间的间隔，减弱非谐振模态干扰，所述环形调节槽与辐射体同心设置。
2.根据权利要求1所述的减弱弯曲振动圆盘非谐振模态干扰的方法，其特征在于所述环形调节槽的加工位置由以下方法确定：
(1)根据圆盘辐射体的几何尺寸确定出圆盘辐射体的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0以及与该轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0左右相邻的两个非谐振频率，计算出轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0与左、右非谐振频率之间的频率差△f1和△f2；
(2)设定在圆盘辐射体背面所加工的环形调节槽的槽深为h，槽宽为m，利用有限元计算法分析，从圆盘辐射体的圆心至边缘，每隔1mm逐次设定与辐射体同心的环形槽的内半径和外半径，并确定其对应的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0ri以及f0ri与左、右非谐振频率之间的频率差△f1ri和△f2ri；
(3)将步骤(2)所确定的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0ri与左、右非谐振频率之间的频率差△f1ri和△f2ri分别与步骤(1)圆盘辐射体的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0与左、右非谐振频率之间的频率差△f1和△f2进行比较，选取出频率差△f1ri和△f2ri均大于频率差△f1和△f2时所对应的环形槽的内半径和外半径，作为环形调节槽的内半径和外半径，即确定出环形调节槽的开槽位置。
3.根据权利要求2所述的减弱弯曲振动圆盘非谐振模态干扰的方法，其特征在于所述步骤(3)是：将步骤(2)所确定的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0ri与左、右非谐振频率之间的频率差△f1ri和△f2ri分别与步骤(1)圆盘辐射体的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0与左、右非谐振频率之间的频率差△f1和△f2进行比较，选取出频率差△f1ri和△f2ri均大于频率差△f1和△f2且差值最大的一组，其所对应的环形槽的内半径和外半径即作为环形调节槽的内半径和外半径，即确定出环形调节槽的最佳开槽位置。
4.根据权利要求2或3所述的减弱弯曲振动圆盘非谐振模态干扰的方法，其特征在于所述步骤(3)之后包括步骤(4)和(5)，确定环形调节槽的槽宽，具体如下：
(4)根据步骤(3)所确定出的环形调节槽的内半径，设定环形调节槽的槽深为h，利用有限元计算法分析，确定出不同槽宽时辐射体所对应的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0mi以及f0mi与左、右非谐振频率之间的频率差△f1mi和△f2mi；
(5)将步骤(4)所确定的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0mi与左、右非谐振频率之间的频率差△f1mi和△f2mi分别与步骤(1)圆盘辐射体的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0与左、右非谐振频率之间的频率差△f1和△f2进行比较，选取出频率差△f1mi和△f2mi均大于频率差△f1和△f2时所对应的环形槽的槽宽即为环形调节槽的槽宽。
5.根据权利要求4所述的减弱弯曲振动圆盘非谐振模态干扰的方法，其特征在于所述(5)将步骤(4)所确定的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0mi与左、右非谐振频率之间的频率差△f1mi和△f2mi分别与步骤(1)圆盘辐射体的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0与左、右非谐振频率之间的频率差△f1和△f2进行比较，选取出频率差△f1mi和△f2mi均大于频率差△f1和△f2且差值最大的一组数据所对应的环形槽的槽宽即为环形调节槽的最佳槽宽。
6.根据权利要求4所述的减弱弯曲振动圆盘非谐振模态干扰的方法，其特征在于在步骤(5)之后还包含有步骤(6)，确定环形调节槽的槽深，具体是：根据步骤(3)和步骤(5)所确定的环形调节槽内半径以及槽宽，再利用有限元计算法分析不同槽深所对应的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0hi与左、右非谐振频率之间的频率差△f1hi和△f2hi，将所确定的频率差△f1hi和△f2hi分别与步骤(1)圆盘辐射体的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0与左、右非谐振频率之间的频率差△f1和△f2进行比较，选取出频率差△f1hi和△f2hi均大于频率差△f1和△f2时所对应的环形槽的槽深即为环形调节槽的槽深，从而确定出该圆盘辐射体背面所加工的环形调节槽的槽深。
7.根据权利要求6所述的减弱弯曲振动圆盘非谐振模态干扰的方法，其特征在于所述步骤(6)确定环形调节槽的槽深，具体是：根据步骤(3)和步骤(5)所确定的环形调节槽内半径以及槽宽，再利用有限元计算法分析不同槽深所对应的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0hi与左、右非谐振频率之间的频率差△f1hi和△f2hi，将所确定的频率差△f1hi和△f2hi分别与步骤(1)圆盘辐射体的轴对称弯曲振动模态下的谐振频率f0与左、右非谐振频率之间的频率差△f1和△f2进行比较，选取出频率差△f1hi和△f2hi均大于频率差△f1和△f2且差值最大的一组所对应的环形槽的槽深即为环形调节槽的最佳槽深。
8.根据权利要求7所述的减弱弯曲振动圆盘非谐振模态干扰的方法，其特征在于：所述圆盘辐射体为平面圆盘或一阶梯圆盘或二阶梯圆盘结构的辐射体。
9.根据权利要求8所述的减弱弯曲振动圆盘非谐振模态干扰的方法，其特征在于所述平面圆盘、一阶梯圆盘以及二阶梯圆盘的半径为15～200mm，基底厚度为2～10mm。
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