Investigation of the Variable-Mass Method for Regulating the Resonant Frequency of Ultrasonic Transducers
Abstract
为满足超声系统在多种工作环境下对谐振频率的多样化需求，本文提出了一种基于变质量调节超声换能器谐振频率的方法。在换能器外部加载金属环（后文称调频环），利用其在不同轴向位置对换能器刚度与惯性的影响，实现系统谐振频率的高、低变化。与传统“增加质量导致频率下降”的认知相反，仿真与实测结果表明，当调频环安装于换能器位移节点附近时，系统频率非但未降低，反而会升高。利用有限元方法计算了调频环引入后对纵向模态频率的影响，并基于能量关系计算了系统的等效质量与等效刚度，借助瑞利商理论推导了频率变化的数学模型。研究结果表明，调频范围与调频环的材料、位置和几何参数有密切关系，以本文谐振频率28 kHz换能器为调频对象，调频范围可达 9 kHz。实验测试与仿真计算结果一致。该方法频率调节范围广，机械结构简单，具备良好的工程实用性与推广价值。
