棱柱形谐振器


本页讨论棱柱形谐振器的性能(即截面尺寸在振动主方向上保持不变的谐振器)。

除非另有说明 —

  1. 谐振器均为圆柱形。
  2. 谐振器不包含螺柱或螺柱孔。
  3. 主振动模态为轴向。(对于直径非常大的谐振器,径向振幅可能超过轴向振幅。尽管如此,所研究的仍是轴向模态。)
  4. 振幅、应变和应力均沿谐振器的轴线中心线确定。
  5. 性能数据由有限元分析(FEA)确定。(在某些情况下,若理论值与 FEA 值无显著差异,则采用理论值。)

轴向振幅

棱柱形谐振器的轴向振幅自自由端起沿谐振器长度呈余弦分布 —

\begin{align} \label{eq:10701a} u(x) &= U_p \cos \left( \frac{\pi}{\Gamma} \, x \right) \end{align}

式中 —

\( u \) = 振幅分布
\( x \) = 距离,自自由端(波腹)起算
\( U_p \) = 最大(峰值)振幅
\( \Gamma \) = 谐振频率下的半波长

括号( )内的量以弧度为单位。振幅 \( u(x) \) 在波腹处(自由端以及此后每隔一个半波长(\( \Gamma \))处)最大。\( u(x) \) 在波节处(\( \Gamma/2 \) 以及此后每隔一个 \( \Gamma \) 处)为零。对于细线,\( \Gamma \) 就是细线半波长 \( \Gamma_{tw} \)

公式 \eqref{eq:10701a} 无论谐振器是细是粗都适用。图 1 中的两个 20 kHz 谐振器说明了这一点——一个为 \( \phi \)10 mm(相当细),另一个为 \( \phi \)140 mm(明显很粗)。沿每个谐振器轴线的振幅数据绘制于图 2。左图中的数据为对应实际谐振器长度的振幅分布。右图显示相同的数据,但 X 轴已对两个谐振器的半波长作了归一化——即 \( \large\frac{x}{\Gamma_{\phi 10}} \)\( \large\frac{x}{\Gamma_{\phi 140}} \)。右图中的两条曲线几乎重合,表明细、粗谐振器均可用公式 \eqref{eq:10701a} 描述。

典型声学材料(细线波速 = 5100 m/sec,泊松比 = 0.33)直径 10 mm、20 kHz 谐振器的轴向振幅
\( \phi \)10 mm 谐振器
典型声学材料(细线波速 = 5100 m/sec,泊松比 = 0.33)直径 140 mm、20 kHz 谐振器的轴向振幅
\( \phi \)140 mm 谐振器
图 1. 典型声学材料 20 kHz 谐振器的轴向振幅
\( c_{tw} \) = 5100 m/sec,泊松比 = 0.33)
图 — 典型声学材料(细线波速 = 5100 m/sec,泊松比 = 0.33)20 kHz 谐振器的相对轴向振幅 — 实际距离
实际距离
图 — 典型声学材料(细线波速 = 5100 m/sec,泊松比 = 0.33)20 kHz 谐振器的相对轴向振幅 — 相对距离
相对距离 = \( \large\frac{x}{\Gamma} \)
图 2. 典型声学材料 20 kHz 谐振器的相对轴向振幅
\( c_{tw} \) = 5100 m/sec,泊松比 = 0.33)

轴向应变与应力

细线仅在轴向方向上承受应变。此时轴向应变是振幅曲线的导数(斜率) —

\begin{align} \label{eq:10702a} {\epsilon}(x) &= \frac{du}{dx} \\[0.7em]%eqn_interline_spacing &= U_p \left( {\frac{\pi}{\Gamma_{tw}}} \right) \sin \left( {\frac{\pi}{\Gamma_{tw}}} \, x \right) \nonumber \end{align}

应变 \( {\epsilon}(x) \) 在波腹处(自由端以及此后每隔一个半波长(\( \Gamma_{tw} \))处)为零。\( {\epsilon}(x) \) 在波节处(\( \Gamma_{tw}/2 \) 以及此后每隔一个 \( \Gamma_{tw} \) 处)最大。

\begin{align} \label{eq:10707a} {\epsilon}_{max} &= U_p \left( {\frac{\pi}{\Gamma_{tw}}} \right) \end{align}

上述公式也可以不用半波长表示,而用频率和波速表示更为方便,其中应注意到 —

\begin{align} \label{eq:10703a} \Gamma_{tw} = \frac{c_{tw}}{2 \, f} \end{align}

式中 —

\( c_{tw} \) = 细线波速 = \( \sqrt{\frac{E}{\rho}} \)
\( f \) = 频率

于是公式 \eqref{eq:10701a} 至 \eqref{eq:10707a} 变为 —

\begin{align} \label{eq:10704a} u(x) &= U_p \cos \left( {\frac{2\pi \, f}{c_{tw}}} \, x \right) \end{align}

\begin{align} \label{eq:10705a} {\epsilon}(x) &= U_p \left( {\frac{2\pi \, f}{c_{tw}}} \right) \sin \left( {\frac{2\pi \, f}{c_{tw}}} \, x \right) \end{align}

\begin{align} \label{eq:10706a} {\epsilon}_{max} &= U_p \left( {\frac{2\pi \, f}{c_{tw}}} \right) \end{align}

粗径谐振器

如上所述,无论谐振器是细是粗,沿谐振器轴线的振幅均为余弦分布(公式 \eqref{eq:10701a})。然而,应变公式 \eqref{eq:10702a} 仅在应变沿单一方向作用时适用,这对细长谐振器成立。由于以下两个效应,粗径谐振器的净应变会更高 —

  1. 除轴向运动外,粗径谐振器还因泊松耦合而产生横向“呼吸”运动。这会引入额外的径向和周向(环向)应变。
  2. 粗径谐振器的调谐长度更短(即 \( \Gamma \lt \Gamma_{tw} \)),因此给定的振幅被压缩在更短的长度内。

这两个效应的综合结果如图 3 和图 4 所示(20 kHz 谐振器)。\( \phi \)10 mm 谐振器相当细,其应变可由公式 \eqref{eq:10702a} 预测。而 \( \phi \)140 mm 谐振器则相当粗 —

  1. 其半波长比细谐振器短 18%(105 mm 对 127 mm)。
  2. 其峰值应变比细谐振器高 36%。
  3. 自由端面(波腹)处的应变不为零;而是波节处应变的 6%。这是因为自由端具有显著的径向振幅(为端面轴向中心线振幅的 5%)。
典型声学材料(细线波速 = 5100 m/sec,泊松比 = 0.33)直径 10 mm、20 kHz 谐振器的应变
\( \phi \)10 mm 谐振器
典型声学材料(细线波速 = 5100 m/sec,泊松比 = 0.33)直径 140 mm、20 kHz 谐振器的应变
\( \phi \)140 mm 谐振器
图 3. 典型声学材料 20 kHz 谐振器的应变
\( c_{tw} \) = 5100 m/sec,泊松比 = 0.33)
图 — 典型声学材料(细线波速 = 5100 m/sec,泊松比 = 0.33)20 kHz 谐振器在 1 微米(峰值)下的净应变
图 4. 典型声学材料 20 kHz 谐振器在 1 微米(峰值)下的净应变
\( c_{tw} \) = 5100 m/sec,泊松比 = 0.33)

注:上图所示净应变为 von Mises 应变。von Mises 应力可由杨氏模量 \( E \) 与 von Mises 应变的乘积计算。

调谐

棱柱形谐振器的调谐取决于谐振器直径与其棱柱形半波长之比。

调谐长度

细长棱柱形谐振器的调谐长度为 —

\begin{align} \label{eq:10710a} \Gamma_{tw} = \frac{c_{tw}}{2 \, f} \end{align}

式中 —

\( \Gamma_{tw} \) = 细线半波长
\( c_{tw} \) = 细线波速
\( f \) = 频率

细线波速可由材料性能确定 —

\begin{align} \label{eq:10711a} c_{tw} &= \sqrt{\frac{E}{\rho}} \end{align}

式中 —

\( E \) = 弹性模量(杨氏模量)
\( \rho \) = 密度

随着谐振器横向尺寸增大(即谐振器不再“细长”),半波长会降至细线半波长以下。从物理上看,当谐振器直径大于无限细的细线时,泊松耦合会引起径向“呼吸”。这种径向运动带来额外的动能,会使谐振器频率下降。为了维持期望的频率,必须缩短谐振器的长度。

直径更大时呼吸更为显著,谐振器必须调得更短。在最大可能的直径下,谐振器退化为一个薄平圆盘。此时呼吸就是圆盘的基频径向谐振。

有限直径 \( D \) 下的实际调谐长度可由 \( \Gamma_{tw} \) 乘以长度因子 \( K_L \) 确定。

\begin{align} \label{eq:10712a} \Gamma = K_L \,\, \Gamma_{tw} \end{align}

式中 —

\( \Gamma \) = 直径 \( D \) 下的半波长
\( \Gamma_{tw} \) = 细线半波长
\( K_L \) = 调谐长度因子

调谐长度因子可由图 5 或图 6 确定。(图 6 是图 5 的局部放大,其横轴限制在 1.1 以内,这是大多数轴向谐振器现实可行的上限。图 6 还包含了多种声学材料典型的泊松比范围。为清晰起见,未标出各个 FEA 数据点。)图中的图像显示了圆柱的相对尺寸;颜色代表轴向振幅(平行于谐振器轴线)。

(注:两个理论近似长度因子——Rayleigh 因子 \( K_{L_R} \) 和 Mori 因子 \( K_{L_M} \)——在附录 A 中讨论。)

图 — 典型声学材料(细线波速 = 5100 m/sec,泊松比 = 0.33)的调谐长度因子
图 5. 典型声学材料的调谐长度因子
\( c_{tw} \) = 5100 m/sec,泊松比 = 0.33)
图 — 典型声学材料在不同泊松比下的调谐长度因子(细线波速 = 5100 m/sec)
图 6. 典型声学材料的调谐长度因子
\( c_{tw} \) = 5100 m/sec)

图 6 表明,调谐长度随泊松比减小而增大。事实上,若泊松比为零,则不存在泊松耦合,谐振器不会发生呼吸。此时无论谐振器直径多大,调谐长度都与细线相同。

示例 1

已知——一个 20 kHz、\( \phi \)90 mm 的圆柱形谐振器。谐振器材料的细线波速 \( c_{tw} \) 为 5100 m/sec,泊松比为 0.33。

求 — 调谐半波长 \( \Gamma \)

  1. \( \Gamma_{tw} \) = 127.5 mm(公式 \eqref{eq:10710a})
  2. \( D/\Gamma_{tw} \) = 90.0/127.5 = 0.71
  3. \( K_L \) = 0.955(由图 6)
  4. \( \Gamma \) = 0.955 * 127.5 mm = 121.8 mm

调谐速率

附录 B细长棱柱形谐振器的调谐速率为 —

\begin{align} \label{eq:10715a} \varphi_{tw} &= -\frac{f}{n \, \Gamma_{tw}} \end{align}

式中 —

\( \varphi_{tw} \) = 细线调谐速率 [Hz/mm]
\( f \) = 当前频率 [Hz]
\( \Gamma_{tw} \) = 细线半波长 [mm]
\( n \) = 半波数量

注意,负号表明调谐速率总是负值。不过,调谐速率通常以正值(绝对值)来讨论。

随着谐振器横向尺寸增大(即谐振器不再“细长”),调谐速率下降(即为实现给定的频率变化必须去除更多材料)。这可以通过对公式 \eqref{eq:10715a} 施加一个调谐速率因子来处理 —

\begin{align} \label{eq:10716a} \varphi &= K_T \, \varphi_{tw} \\[0.3em]%eqn_interline_spacing &= K_T \, \left( \frac{f}{L} \right) \nonumber \end{align}

注意,本节的公式仅在谐振器为棱柱形时适用。若谐振器具有增益,则不适用。

图 — 典型声学材料(细线波速 = 5100 m/sec,泊松比 = 0.33)的调谐速率因子
图 7. 典型声学材料的调谐速率因子
\( c_{tw} \) = 5100 m/sec,泊松比 = 0.33)
图 — 典型声学材料在不同泊松比下的调谐速率因子(细线波速 = 5100 m/sec)
图 8. 典型声学材料的调谐速率因子
\( c_{tw} \) = 5100 m/sec)

如上所述,随着横向尺寸增大(即 \( D/\Gamma_{tw} \) 增大),谐振器调得更短。似乎较短的谐振器调谐速率应当更高——即(相对于缩短后的谐振器长度)每单位长度变化应更有效地改变频率。例如,从 127 mm x \( \phi \)20 mm 的谐振器上去除 1 mm,其长度减少 0.8%;而从 105 mm x \( \phi \)140 mm 的谐振器上去除 1 mm,其长度减少 1.0%;因此按逻辑推断,105 mm 谐振器的调谐应当比 127 mm 谐振器更快(假设两者初始频率相同)。

然而,这忽略了泊松耦合引起的横向振动的影响。细长谐振器的横向振动相对较小,因此动能主要来自纵向振动。随着横向尺寸增大,谐振器的横向振动也随之增大,横向动能相应增加。当从端面对谐振器进行调谐时,横向动能相对不受影响,尤其是因为横向动能主要储存在波节区域。因此,为使“粗径”谐振器的总体动能改变与细谐振器相同的比例,必须从其端面去除更多的材料。(这正是 Rayleigh 最初用于其调谐长度修正的推理。)因此,“粗径”谐振器的调谐比细谐振器慢。对于上述例子,127 mm x \( \phi \)20 mm 谐振器的调谐速率为 157 Hz/mm,而 105 mm x \( \phi \)140 mm 谐振器的调谐速率为 100 Hz/mm(慢 36%)。

有趣的是,图 8 表明当泊松比在 0.27 至 0.33 之间时,调谐速率相对不受泊松比影响。然而,当泊松比显著偏离该范围时情况则不然。例如,若泊松比为零,则不存在呼吸,调谐速率就是细线的调谐速率,与谐振器直径无关。

示例 2

已知——一个 \( \phi \)90 mm x 半波的圆柱形谐振器。长度为 124.8 mm,对应频率为 19500 Hz。谐振器材料的细线波速 \( c_{tw} \) 为 5100 m/sec,泊松比为 0.33。

求 — 调谐速率 \( \varphi \) 及预期的最终长度。

  1. \( \Gamma_{tw} \) = 130.8 mm @ 19500 Hz(公式 \eqref{eq:10710a})
  2. \( D/\Gamma_{tw} \) = 90.0 / 130.8 = 0.688
  3. \( K_T \) = 0.94(由图 8)
  4. \( f/\Gamma_{tw} \) = 19500 Hz / 130.8 mm = 149 Hz/mm(细线调谐速率)
  5. \( \varphi \) = 0.94 * 149 Hz/mm = 140 Hz/mm

换能器的影响

接入换能器会将叠堆从半波系统变为全波系统,并影响调谐速率。其确切影响无法预测;但它取决于谐振器相对于换能器的储能大小。若谐振器与换能器储能相近,则调谐速率接近全波棱柱形谐振器(即公式 \eqref{eq:10716a} 中 \( n = 2 \))。然而,若谐振器储能相对较高(例如大直径钢谐振器),则换能器影响很小,调谐速率仅略低于单独的半波谐振器(公式 \eqref{eq:10716a} 取 \( n = 1 \),或查图 7、图 8)。

相对振幅

当谐振器沿轴向膨胀和收缩时,泊松耦合使谐振器产生横向呼吸。这种呼吸并不均匀,而是在应变最大处(即波节处)占主导。这导致谐振器端面上轴向振幅分布不均匀。参见进一步说明

端面轴向振幅

图 9 和图 10 显示端面振幅的均匀性。(参见均匀性计算(基础)。)注意,图 10 只是图 9 的局部放大,其横轴限制在 1.1 以内。

图 — 典型声学材料(细线波速 = 5100 m/sec,泊松比 = 0.33)的端面轴向振幅
图 9. 典型声学材料的端面轴向振幅
\( c_{tw} \) = 5100 m/sec,泊松比 = 0.33)
图 — 典型声学材料在不同泊松比下的端面轴向振幅(细线波速 = 5100 m/sec)
图 10. 典型声学材料的端面轴向振幅
\( c_{tw} \) = 5100 m/sec)

图 10 表明,随着泊松比减小,端面振幅均匀性有所改善。最大的改善出现在 \( D/\Gamma_{tw} \) 约为 0.7 时。当泊松比从 0.33 降至 0.27 时,均匀性从 0.72 提高到 0.78(改善 8%)。

曲线拟合

对图 9 和图 10 中泊松比为 0.33 的数据进行的多项式曲线拟合为 —

\begin{align} \label{eq:10718a} U = 1 - 0.0809 \, X^2 - 0.5688 \, X^3 - 0.6565 \, X^4 + 0.6481 \, X^5 \end{align}

式中 —

\( U \) = 端面轴向振幅均匀性
\( X \) = 圆柱直径 / 细线半波长
= \( D/\Gamma_{tw} \)

径向振幅

对于下列各图 —

  1. 径向振幅均相对于谐振器端面中心处的轴向振幅。
  2. 作为参照,每对图像中的左图显示轴向振幅分布。
  3. 箭头指示相应颜色的振动方向。
  4. 颜色的选取使红色代表每对图像中的最大振幅。
  5. 径向振幅绘为负值。这仅表示径向振幅与轴向振幅反相(即谐振器沿轴向膨胀时端面沿径向收缩,反之亦然)。

波节处径向振幅

图 11 显示波节处的径向振幅。

图 — 典型声学材料(细线波速 = 5100 m/sec,泊松比 = 0.33)的波节处径向振幅
图 11. 典型声学材料的波节处径向振幅
\( c_{tw} \) = 5100 m/sec,泊松比 = 0.33)

端面径向振幅

图 12 显示端面边缘处的径向振幅。在谐振器直径等于细线半波长(\( \Gamma_{tw} \))之前,径向振幅基本为零;此后径向振幅迅速增大。事实上,随着圆柱形状趋近圆盘,端面径向振幅逐渐接近波节处径向振幅,这可以从最右侧谐振器图像的颜色中看出。

图 — 典型声学材料(细线波速 = 5100 m/sec,泊松比 = 0.33)的端面径向振幅
图 12. 典型声学材料的端面径向振幅
\( c_{tw} \) = 5100 m/sec,泊松比 = 0.33)

\( \setSection A \)

附录 A. 粗径圆柱棱柱形谐振器的调谐长度
(Rayleigh 近似与 Mori 近似)

\( \newtagform{A}{(A}{)} % 1st brace is tagform name. Next 2 brace sets are tagform appearance. \usetagform{A} % Should be same as first brace in newtagform{ } \seteqnumber{1} % Set starting eqn number for the designated tagform \)

对于以纵向模态振动的细长棱柱形谐振器,压力波的半波长为 —

\begin{align} \label{eq:10750a} \Gamma_{tw} = \frac{c_{tw}}{2 \, f} \end{align}

式中 —

\( \Gamma_{tw} \) = 细线半波长
\( c_{tw} \) = 纵向细线波速
\( f \) = 频率

纵向细线波速可由材料性能确定 —

\begin{align} \label{eq:10751a} c_{tw} &= \sqrt{\frac{E}{\rho}} \end{align}

式中 —

\( E \) = 弹性模量(杨氏模量)
\( \rho \) = 密度

随着谐振器横向尺寸增大(即谐振器不再“细长”),半波长会降至细线半波长以下。从物理上看,当谐振器直径大于无限细的细线时,泊松耦合会引起径向“呼吸”。这带来额外的动能,会使谐振器频率下降。为了维持期望的频率,必须缩短谐振器的长度。

直径更大时呼吸更为显著,谐振器必须调得更短。在最大可能的直径下,谐振器退化为一个薄平圆盘。此时呼吸就是圆盘的基频径向谐振。

Rayleigh 近似

Rayleigh (1)(第 1 卷,第 251–252 页)首先提出了一个近似考虑棱柱圆柱这一现象的公式。

\begin{align} \label{eq:10752a} \Gamma = K_{L_R} \,\, \Gamma_{tw} \end{align}

式中 —

\( \Gamma \) = 圆柱直径 \( D \) 下的半波长
\( \Gamma_{tw} \) = 细线半波长
\( K_{L_R} \) = Rayleigh 长度因子

\begin{align} \label{eq:10753a} K_{L_R} = 1 - \small\frac{1}{8} \normalsize \left(\pi \, \nu \, \frac{D}{\Gamma_{tw}} \right)^2 \end{align}

式中 —

\( D \) = 谐振器直径
\( \nu \) = 泊松比

注意,\( K_{L_R} \) 取决于谐振器直径(\( D \))与细线半波长(\( \Gamma_{tw} \))之比。当 \( D = 0 \) 时,\( K_{L_R} = 1 \),于是 \( \Gamma = \Gamma_{tw}\)(即精确解)。然而,随着谐振器直径增大,Rayleigh 近似先是低估、然后又高估调谐长度(图 A1 和图 A2,典型声学材料)。

Mori 近似

Mori (1) 改进了 Rayleigh 的工作,提出的公式对细线以及大直径下的径向振动圆盘都是正确的。中间直径处的结果则用一种称为“表观弹性”的方法近似。

\begin{align} \label{eq:10754a} \Gamma = K_{L_M} \,\, \Gamma_{tw} \end{align}

式中 —

\( \Gamma \) = 圆柱直径 \( D \) 下的半波长
\( \Gamma_{tw} \) = 细线半波长
\( K_{L_M} \) = Mori 长度因子

\begin{align} \label{eq:10755a} K_{L_M} = \left[ \frac{1 - B_1 \, \psi}{1 - B_2 \, \psi} \right]^{1/2} \end{align}

式中 —

\( B_1 \) = \( 1 - \nu^2 \)
\( B_2 \) = \( 1 - 3 \, \nu^2 - 2 \, \nu^3 \)
\( \nu \) = 泊松比
\( \psi \)
\( \label{eq:99998a} \displaystyle{ = \left[ \frac{ \large\frac{\pi}{2} \left(\large\frac{D}{\Gamma_{tw}}\right)}{\alpha} \right]^{2} } \)
\( D \) = 谐振器直径
\( \alpha \) \( \approx 1.84 + 0.68 \, \nu \) [Derks,第 42 页,公式 5.8]
\( \alpha \) \( \approx 1.85 \left(1 + 0.386 \, \nu - 0.146 \, \nu^2 + 0.115 \, \nu^3 \right) \) [Gladwell (1),第 345 页]

典型声学材料的 \( K_{L_M} \) 如图 A1 和图 A2 所示。(图 A2 是图 A1 的局部放大。)注意,Mori 近似始终低估调谐长度。

注意,\( \alpha \) 是近似的。Derks 和 Gladwell 给出的公式略有不同。Derks 的线性公式取自 Kleesattel(2)第 3 页图 1 中曲线 1 的图线。Kleesattel 的这条曲线并不完全是线性的,因此 Gladwell 的近似可能略好一些。不过差别很小——当 \( \nu \) = 0.33(对许多声学材料近似典型)时,Gladwell 的公式给出 2.0666,而 Dirks 的公式给出 2.0639。图 A1 和图 A2 表明两者的结果几乎无法区分。

图 — 典型声学材料(细线波速 = 5100 m/sec,泊松比 = 0.33)的调谐长度因子(曲线拟合)
图 A1. 典型声学材料的调谐长度因子
\( c_{tw} \) = 5100 m/sec,泊松比 = 0.33)
图 — 典型声学材料(细线波速 = 5100 m/sec,泊松比 = 0.33)的调谐长度因子(曲线拟合,局部放大)
图 A2. 典型声学材料的调谐长度因子
\( c_{tw} \) = 5100 m/sec,泊松比 = 0.33)

\( \setSection B \)

附录 B. 细长棱柱形谐振器的调谐速率

\( \newtagform{B}{(B}{)} % 1st brace is tagform name. Next 2 brace sets are tagform appearance. \usetagform{B} % Should be same as first brace in newtagform{ } \seteqnumber{1} % Set starting eqn number for the designated tagform \)

对于以纵向模态振动的细长棱柱形谐振器,基本波动方程为 —

\begin{align} \label{eq:10760a} c_{tw} &= 2 \, \Gamma_{tw} \, f \end{align}

式中 —

\( c_{tw} \) = 纵向细线波速
\( \Gamma_{tw} \) = 细线半波长
\( f \) = 纵波频率

解出 f —

\begin{align} \label{eq:10762a} f &= \frac{c_{tw}}{2 \, \Gamma_{tw} } \\[0.7em]%eqn_interline_spacing &= \small\frac{1}{2} \normalsize \, c_{tw} \, \Gamma_{tw}^{-1} \nonumber \end{align}

\( f \)\( \Gamma_{tw} \) 求导,得到细线调谐速率 \( \varphi_{tw} \) —

\begin{align} \label{eq:10763a} \frac{df}{\Gamma_{tw}} = \varphi_{tw} &= -\small\frac{1}{2} \normalsize \, c_{tw} \, \Gamma_{tw}^{-2} \\[0.7em]%eqn_interline_spacing &= -\small\frac{1}{2} \normalsize \, \frac{c_{tw}}{\Gamma_{tw}^2} \nonumber \end{align}

将公式 \eqref{eq:10760a} 中的 \( c_{tw} \) 代入公式 \eqref{eq:10763a} —

\begin{align} \label{eq:10764a} \varphi_{tw} &= -\frac{f}{\Gamma_{tw}} \end{align}

若谐振器长度为 \( n \) 个半波,则调谐速率减小为 \( 1/n \),因为每一调谐切片实际上被分摊到 \( n \) 个半波中的每一个 —

\begin{align} \label{eq:10765a} \varphi_{tw} &= -\frac{f}{n \, \Gamma_{tw}} \end{align}


\( \setSection C \)

附录 C. 细长纵向谐振构件中储存的能量

\( \newtagform{C}{(C}{)} % 1st brace is tagform name. Next 2 brace sets are tagform appearance. \usetagform{C} % Should be same as first brace in newtagform{ } \seteqnumber{1} % Set starting eqn number for the designated tagform \)

对于截面尺寸远小于其半波长的纵向谐振构件,任一薄切片 \( dx \) 中储存的动能为 —

\begin{align} \label{eq:10721a} dW &= \small\frac{1}{2} \normalsize \, \dot{u}^2 \, dm \\[0.7em]%eqn_interline_spacing &= \small\frac{1}{2} \normalsize \, \dot{u}^2 \, \left( \rho \, A \, dx \right) \nonumber \end{align}

式中 —

\( dW \) = 薄切片中储存的能量
\( \dot{u} \) = 切片的速度
\( dm \) = 切片的质量
\( \rho \) = 密度
\( A \) = 切片的面积
\( dx \) = 切片的厚度

四分之一波长棱柱形谐振器

对于四分之一波长(\( \lambda/4 \)),动能可由公式 \eqref{eq:10721a} 在四分之一波长上积分求得 —

\begin{align} \label{eq:10722a} W_{\lambda/4} &= \small\frac{1}{2} \normalsize \, \int_{0}^{\lambda/4}{\dot{u}^2 \, \left( \rho \, A \, dx \right) } \end{align}

对于细长棱柱形谐振器,(自波腹自由端起算的)振幅分布为 —

\begin{align} \label{eq:10723a} u &= U_p \cos \left( {\frac{2\pi}{\lambda}} \, x \right) \, \sin \left( 2\pi f \, t \right) \end{align}

速度是振幅的变化率。因此,将公式 \eqref{eq:10723a} 对时间求导即得速度分布 —

\begin{align} \label{eq:10724a} \dot{u} &= \frac{du}{dt} \\ &= \left( 2\pi f \right) U_p \, \cos \left( {\frac{2\pi}{\lambda}} \, x \right) \, \cos \left( 2\pi f \, t \right) \nonumber \\ &= \dot{U}_p \, \cos \left( {\frac{2\pi}{\lambda}} \, x \right) \, \cos \left( 2\pi f \, t \right) \nonumber \end{align}

将公式 \eqref{eq:10724a} 代入公式 \eqref{eq:10722a},并忽略随时间变化的分量(以得到一个周期内的最大能量) —

\begin{align} \label{eq:10725a} W_{\lambda/4} &= \small\frac{1}{2} \normalsize \, \int_{0}^{\lambda/4}{\left[ \dot{U}_p \cos \left( {\frac{2\pi}{\lambda}} \, x \right) \right]^2 \, \left( \rho \, A \, dx \right) } \end{align}

对于棱柱形谐振器,面积 \( A \) 为常数。此外,峰值振幅 \( U_p \) 和频率 \( f \) 都不依赖于 \( x \)。假设密度 \( \rho \) 也不随 \( x \) 变化。于是所有这些量都可以提到积分号之外 —

\begin{align} \label{eq:10726a} W_{\lambda/4} &= \small\frac{1}{2} \normalsize \left( \rho \, A\right)\, \dot{U_p}^2 \int_{0}^{\lambda/4}{\left[ \cos \left( {\frac{2\pi}{\lambda}} \, x \right) \right]^2 \, dx } \end{align}

积分得 —

\begin{align} \label{eq:10727a} W_{\lambda/4} &= \small\frac{1}{2} \normalsize \left( \rho \, A\right)\, \dot{U_p}^2 {\left[ \frac{x}{2} + \small\frac{1}{4} \normalsize \, \sin \left( {\frac{4\pi }{\lambda}} \, x \right) \right]}_0 ^{\lambda/4} \end{align}

当公式 \eqref{eq:10727a} 对 \( x \) 在 0 与 \( {\lambda}/4 \) 之间求值时,sin 项在上下限处均为 0,因而消去。于是公式 \eqref{eq:10727a} 为 —

\begin{align} \label{eq:10728a} W_{\lambda/4} &= \small\frac{1}{2} \normalsize \left( \rho \, A\right)\, \dot{U_p}^2 {\left[ \frac{x}{2} \right]}_0 ^{\lambda/4} \\[0.7em]%eqn_interline_spacing &= \small\frac{1}{2} \normalsize \left( \rho \, A \right)\, \dot{U_p}^2 {\left[ \frac{\lambda}{8} \right]} \nonumber \\[0.7em]%eqn_interline_spacing &= \small\frac{1}{2} \normalsize \left[ \small\frac{1}{2} \normalsize \left( \rho \, A \, \frac{\lambda}{4} \right) \right] \, \dot{U_p}^2 \nonumber \end{align}

括号( )中的因子恰好是四分之一波段的全部质量(即 \( m_{\lambda/4} \)),因此公式 \eqref{eq:10728a} 可写为 —

\begin{align} \label{eq:10729a} W_{\lambda/4} &= \small\frac{1}{2} \normalsize \left( \frac{m_{\lambda/4}}{2} \right) \, \dot{U_p}^2 \\[0.7em]%eqn_interline_spacing &= \small\frac{1}{2} \normalsize \left( \frac{m_{\lambda/4}}{2} \right) \, \big[ \left( 2\pi f \right) \, U_p \big]^2 \nonumber \end{align}

因此,自由振动的棱柱形构件中四分之一波段的总能量,等同于将四分之一波总质量的 1/2 集中于波腹处时的能量。当然,两种构型应具有相同的峰值速度 \( \dot{U}_p \),对应于峰值振幅 \( U_p \)

注意,公式 \eqref{eq:10729a} 也可以由应变(势)能分布推导出来,因为在谐振时最大应变能等于最大动能。

半波长棱柱形谐振器

半波长(\( \lambda/2 \))棱柱形谐振器的质量是四分之一波长棱柱形谐振器的两倍。因此其储能为公式 \eqref{eq:10729a} 的两倍 —

\begin{align} \label{eq:10730a} W_{\lambda/2} &= \left( \frac{m_{\lambda/2}}{2} \right) \, \dot{U_p}^2 \\[0.7em]%eqn_interline_spacing &= \left( \frac{m_{\lambda/2}}{2} \right) \, \left[ \left( 2\pi f \right) \, U_p \right]^2 \nonumber \end{align}

半波长阶梯形谐振器

在波节处恰好有急剧阶梯的半波长谐振器,可以简单地看作两个相连的四分之一波长谐振器——即一个四分之一波输入段与一个四分之一波输出段相连。于是由公式 \eqref{eq:10729a} —

\begin{align} _{step}W_{\lambda/2} &= \, _{i}W_{\lambda/4} + \, _{o}W_{\lambda/4} \nonumber \\[0.7em]%eqn_interline_spacing &= \left[ \small\frac{1}{2} \normalsize \left( \frac{_{i}m_{\lambda/4}}{2} \right) \, _{i}\dot{U}^2 \right] + \left[ \small\frac{1}{2} \normalsize \left( \frac{_{o}m_{\lambda/4}}{2} \right) \, _{o}\dot{U}^2 \right] \nonumber \\[0.7em]%eqn_interline_spacing \label{eq:10731a} &= \small\frac{1}{2} \normalsize \left\{ \left[ \left( \frac{_{i}m_{\lambda/4}}{_{o}m_{\lambda/4}} \right) \, \left( {\frac{_{i}\dot{U}}{_{o}\dot{U}}} \right)^2 \right] + 1 \right\} \left( \frac{_{o}m_{\lambda/4}}{2} \right) \, _{o}\dot{U}^2 \end{align}

式中 —

前缀 \( i \) = 输入四分之一波
前缀 \( o \) = 输出四分之一波

谐振器的增益 \( G \) 定义为输出速度与输入速度之比(也是相应振幅之比) —

\begin{align} \label{eq:10732a} G = \frac{_{o}\dot{U}}{_{i}\dot{U}} \end{align}

此外,对于在波节处有急剧阶梯的谐振器,理论增益是输入四分之一波质量与输出四分之一波质量之比 —

\begin{align} \label{eq:10733a} G = \frac{_{i}m_{\lambda/4}}{_{o}m_{\lambda/4}} \end{align}

将公式 \eqref{eq:10732a} 和 \eqref{eq:10733a} 代入公式 \eqref{eq:10731a} —

\begin{align} W_{\lambda/2}|_{stepped} &= \small\frac{1}{2} \normalsize \left\{ \left[ G \, \left( \frac{1}{G} \right)^2 \right] + 1 \right\} \left( \frac{_{o}m_{\lambda/4}}{2} \right) \, _{o}\dot{U}^2 \nonumber \\[0.7em]%eqn_interline_spacing \label{eq:10735a} &= \small\frac{1}{2} \normalsize \left( \frac{1}{G} + 1 \right) \left( \frac{_{o}m_{\lambda/4}}{2} \right) \, _{o}\dot{U}^2 \end{align}

与棱柱形谐振器的比较

将公式 \eqref{eq:10735a} 的半波长阶梯形谐振器与公式 \eqref{eq:10730a} 的半波长棱柱形谐振器进行比较,其中两者规定具有相同的输出质量(即相同的输出截面面积)和相同的输出速度 —

\begin{align} \label{eq:10736a} \frac{W_{\lambda/2}|_{stepped}}{W_{\lambda/2}|_{prismatic}} = \small\frac{1}{2} \normalsize \left( \frac{1}{G} + 1 \right) \end{align}

注意,当阶梯消失时(即输入与输出四分之一波段具有相同的截面面积,从而增益恰为 1.0),半波长“阶梯形”谐振器(此时已不再是阶梯形)的储能恰好等于半波长棱柱形谐振器的储能,正如所要求的那样。

当谐振器增益大于 1.0 时,公式 \eqref{eq:10736a} 表明阶梯形谐振器的储能低于棱柱形谐振器的储能。尽管为了提供增益,阶梯形谐振器的输入段必须比棱柱形谐振器更大(仍假设两种谐振器具有相同的输出质量和速度),这一结论依然成立。输入段质量更大的阶梯形谐振器反而储能更低,乍一看似乎奇怪。然而,这是因为动能不仅取决于质量,还取决于速度的平方 —

\begin{align} \label{eq:10737a} W = \small\frac{1}{2} \normalsize m \, \dot{U}^2 \end{align}

因此,尽管输入段质量更大,但其速度相应更低(以提供所需的增益),故净动能更低。

公式 \eqref{eq:10736a} 的增益是理论上可能达到的最高值。实际谐振器的增益会更低,原因或是阶梯不够急剧(为了降低相关应力),或是阶梯未位于波节处。因此,公式 \eqref{eq:10736a} 给出的是阶梯形谐振器可能达到的最大能量降幅。注意,即使在增益趋于无穷大的极限情况下,阶梯形谐振器的能量也只能降至棱柱形谐振器的一半。