锥盘形超声聚能器的耦合振动特性与优化设计

超声聚能器具有放大振幅、匹配声阻抗、提高声能量传输效率的作用,盘形聚能器与压电圆管组合能够扩大声能量的辐射范围.采用传统的一维理论对盘形聚能器振动的分析,往往忽略了高度对振动的影响.为了获得符合盘形聚能器实际振动的解析理论,以结构简单且易加工的锥盘形超声聚能器为研究对象,利用等效弹性法分析了高度与半径尺寸接近的聚能器的径、纵向耦合振动.通过引入机械耦合系数,推导得到了聚能器耦合振动的机电等效电路、共振频率方程组和径向位移放大倍数.进一步分析了聚能器机械耦合系数、共振频率和径向位移放大倍数与几何尺寸的依赖关系.利用有限元法对聚能器的耦合振动模态进行了仿真,理论计算与模拟结果一致,验证了理论推导的正确性.振动特性与优化结论的获得为盘形聚能器的工程应用提供了理论依据,为径向复合换能器的振动分析奠定了研究基础.