模态相互作用

概述

当两个谐振彼此接近时,它们可能会发生相互作用。这会扭曲主谐振的振幅场,和/或可能导致电源跳变到次要的(寄生)谐振。

示例

下面给出一个 20 kHz 圆柱形等截面变幅杆(\( c_{tw} \) = 5100 m/sec;泊松比 = 0.33)模态相互作用的示例。变幅杆的直径在 38 mm 到 41 mm 之间调整,以改变模态相互作用的程度。变幅杆的长度做了微小调整(在 126.54 mm 到 126.62 mm 之间),以保持轴向谐振在 20 kHz。正如预期,频率间隔越小,模态相互作用越强。(另见振幅不对称性。)

图——直径 40 mm 的 20 kHz 超声变幅杆的轴向与非轴向谐振频率
图 1. 直径 \( \phi \)40 mm 的 20 kHz 变幅杆的频率
图——直径 40 mm 的 20 kHz 超声变幅杆由模态相互作用引起的振幅不对称性
图 2. 直径 \( \phi \)40 mm 的 20 kHz 变幅杆的端面振幅不对称性

 

下表给出了上述图中的部分数据。当非轴向(弯曲)模态接近轴向谐振(频率间隔小)时,变幅杆直径的微小变化会引起振幅不对称性的大幅变化。特别是,轴向谐振的端面运动开始呈现弯曲谐振的特征。当频率间隔足够大时,轴向模态的表现就好像弯曲模态不存在一样。

表格说明 —

  1. 所有位移(以图像颜色表示)均沿轴向。
  2. 所有位移均以相同比例显示。

 

直径 (mm) 频率
间隔 (Hz)
轴向模态 非轴向模态
38.00 -265
直径 38.00 mm 的 20 kHz 超声变幅杆由模态相互作用引起的 0.001 振幅不对称性

20005 Hz
不对称性 = 0.001

直径 38.00 mm 超声变幅杆的 19740 Hz 弯曲谐振
19740 Hz
39.00 -27
直径 39.00 mm 的 20 kHz 超声变幅杆由模态相互作用引起的 0.06 振幅不对称性

20000 Hz
不对称性 = 0.06

直径 39.00 mm 超声变幅杆的 19973 Hz 弯曲谐振
19973 Hz
39.02 -18
直径 39.02 mm 的 20 kHz 超声变幅杆由模态相互作用引起的 0.34 振幅不对称性

19998 Hz
不对称性 = 0.34

直径 39.02 mm 超声变幅杆的 19982 Hz 弯曲谐振
19982 Hz
39.05 -12
直径 39.05 mm 的 20 kHz 超声变幅杆由模态相互作用引起的 0.50 振幅不对称性

20000 Hz
不对称性 = 0.50

直径 39.05 mm 超声变幅杆的 19988 Hz 弯曲谐振
19988 Hz
39.10 6
直径 39.10 mm 的 20 kHz 超声变幅杆由模态相互作用引起的 0.96 振幅不对称性

20000 Hz
不对称性 = 0.96

直径 39.10 mm 超声变幅杆的 20006 Hz 弯曲谐振
20006 Hz
39.20 27
直径 39.20 mm 的 20 kHz 超声变幅杆由模态相互作用引起的 0.18 振幅不对称性

20000 Hz
不对称性 = 0.18

直径 39.20 mm 超声变幅杆的 20027 Hz 弯曲谐振
20027 Hz
39.30 42
直径 39.30 mm 的 20 kHz 超声变幅杆由模态相互作用引起的 0.06 振幅不对称性

20001 Hz
不对称性 = 0.06

直径 39.30 mm 超声变幅杆的 20043 Hz 弯曲谐振
20043 Hz
41.00 424
直径 41.00 mm 的 20 kHz 超声变幅杆由模态相互作用引起的 0.008 振幅不对称性

19996 Hz
不对称性 = 0.008

直径 41.00 mm 超声变幅杆的 20420 Hz 弯曲谐振
20420 Hz

建议的频率间隔

在对一个 20 kHz 4.5" x 6"(114 mm x 152 mm)钛合金块形变幅杆的优化中,O'Shea [1](第 260 页)规定轴向与非轴向谐振之间的目标频率间隔至少为 1200 Hz。该目标的原因未作说明。如果其原因是为了避免频率跳变,那么应当指出,自 1991 年该报告发表以来,电源控制技术已有了很大进步,因此更窄的频率范围可能也是可行的。事实上,在 20 kHz 下频率间隔为 500 Hz 的变幅杆已经成功应用。

Liesegang[1A],第 10 页规定在 20 kHz 下频率间隔为 1000 Hz。