指向性作为描述辐射体性能的一个重要的参数,目前在各个领域都有着极其重要的应用。振动系统的振动面或辐射面,形式是多种多样的,对其指向性的关注是共同的。弯曲振动辐射盘向空气中辐射大功率超声波有着许多重要的应用,人们对这种辐射器有着浓厚的兴趣。辐射平盘的振动节线两侧相位相反,导致辐射声场在所分布的空间里振动干涉后相消,会造成声能量浪费,导致指向性不尖锐。为了避免相位相消,Gallego等人将辐射盘表面改造成阶梯式。根据频率方程设计阶梯圆盘,包含的变量有阶梯数目及基底厚度、频率。给定工作频率设计阶梯圆盘有多种设计方案,如频率为20kHz,基底厚度为5mm时,阶梯数目可以是一阶、二阶或者更多阶。频率确定的众多设计方案中,何种方案指向性较好呢?声场指向性的尖锐程度决定了声场能量能否集中,指向性尖锐的阶梯圆盘应该是最好的选择。阶梯数目与指向性又有什么关系呢?本文针对这个问题,设计了频率为20kHz,基底厚度为5mm的一到四阶阶梯圆盘,利用数值计算以及叠加法,计算了二阶梯以及多阶梯圆盘的指向性。辐射盘在谐振频率处大功率工作时,往往会被激励出附近的其它的一些振动模态,这些模态会干扰谐振模态,可能导致相位混乱、效率低等问题。在设计辐射盘时,要尽量拉开谐振频率与邻近频率的距离,减弱模态耦合的这种影响。本文通过有限元计算发现在辐射圆盘的背面适当的位置开槽,能拉开相邻模态与谐振频率的间隔,并对辐射盘背面开槽的最佳位置以及宽度、深度进行了探索。本文主要工作以及研究结果有几方面,如下:(1)计算了频率为20kHz的一至四阶阶梯盘的指向性。结果表明,阶梯数目越多指向性越尖锐。计算了与阶梯盘同尺寸同频率的活塞盘的指向性,得到阶梯盘与活塞盘指向性主瓣一致,旁瓣有差异。(2)计算基底厚度相同,材料相同的阶梯盘的指向性,随着频率的增大,指向性的主瓣也变得越来越尖锐;基底厚度相同,频率相同,但材料不同的阶梯圆盘的指向性几乎一致,可能因为频率、基底厚度相同所以几何结构一致,几何结构是影响指向性最主要的原因造成的;频率、材料相同,基底厚度不同的阶梯圆盘的指向性,随着基底厚度的增加,主瓣变得越来越尖锐,旁瓣也变得越来越窄,越来越尖锐。(3)加工了一至四阶阶梯盘,以及一个平圆盘共五个辐射盘进行试验。实验结果与理论结果的趋势较好的符合,说明理论计算是正确的。(4)大功率工作状态下,振动体在谐振频率处会激励相邻的、不需要的振动模态,这些模态会干扰谐振模态。为了减弱这种模态耦合的影响,本文对一、二阶梯以及平盘等弯曲振动辐射盘背面进行开槽计算,试图拉开谐振模态与相邻模态之间的间距。探索拉开相邻模态之间间距较大的槽位置。开槽位置在次最大位移方向端面附近,槽宽和深度为2mm时,谐振模态与其相邻模态对应频率之间的间距最大。