振动是装置产生声场以实现微球操控的源头，振子的振动特性直接影响声场的建立。测试不同状态（含水、不含水）下的振动特性，能了解振子在实际工作环境（含水，微球处于水中）的表现。同时，通过测试不同振动模态（共振驻波、非共振行波）的振型，可确定其建立的声场是否符合预期，为后续验证微球操控效果提供依据。

对微球声操控装置进行振动测试，核心目的是验证装置振动特性的理论计算与实际表现是否一致，进而确保其对 ICF 微球操控的可行性和有效性。

01试验装置

为测试声操控装置的振动特性，研究中搭建了以多普勒三维激光测振仪（PSV-500，德国 Polytec 公司）为核心的振动测试平台，配套设备包括信号发生器、示波器、功率放大器和气浮台。

图1 振动特性测试平台

声操控装置原理样机被平放在气浮台上，以便于在振子内部添加水。激光头被布置在原理样机的正上方，由于水具有极好的透光性，此种布置方式可对声操控装置不含水和含水两种状态下的振动特性进行测量。

02试验结果

在扫频测试试验中，上位机设置的扫频范围为200~5000 Hz， 振子的槽底为测振表面， 测试结果如图2 所示。

图2 声操控装置的频率响应特性曲线

结果表明，当振子内部不添加水时，其一阶、二阶及三阶弯振的共振频率分别为530、1706 和3511 Hz；而在振子内部添加水后，其一阶、二阶及三阶弯振模态的共振频率则分别降低为523、1680 和3471 Hz。该变化趋势与理论模型的结论一致。

图3 仿真计算和试验测试得到的谐振频率之间的比较

理论计算和试验测试得到的声操控装置共振频率的对比结果图3所示。

结果表明，动力学模型的求解频率均略高于测振频率，且声操控装置不含水的情况下，理论计算相较于测振试验的频率差值比分别为3.4%、2.0% 和2.5%。在声操控装置内部添加水后，理论计算相较于测振试验的频率差值比分别为4.2%、3.0% 和3.3%。

造成这种频率差异的主要原因是理论建模时忽略了导电薄膜对结构整体的影响。由于导电薄膜的厚度较小且材料参数复杂，难以有效纳入理论模型。在对声操控装置进行离散化时，将导电薄膜按照弹性体单元进行计算，相当于理论计算过程中提高了导电薄膜部分的杨氏模量。

对于梁的弯曲振动而言，杨氏模量的升高会引起其抗弯刚度的增大，进而使共振频率上升。因此，在动力学模型中忽略导电薄膜，并将其简化为弹性梁的一部分，是导致理论模型计算频率高于试验测试的共振频率的关键原因。

根据得到的共振频率进行了定频测试试验，得到的振型如图4 所示。所测得的振子的二阶和三阶弯振振型标准，分别具有一个和两个位移节点，如图4（a）和（b）所示。此外，从振型云图的图例可知，在声操控装置内添加水后，振子二阶弯振模态和三阶弯振模态的振幅分别从7 和4 μm 降低到了6 和3 μm，均减少了1 μm。

这一结果表明，水的添加不仅会影响到振动系统的共振频率，其添加引起的额外阻尼也会使能量损失增大， 导致系统振动幅值降低。根据测振得到的幅频曲线，同时为了对应理论计算的结果，选择400 Hz 作为非共振行波的激励频率，结果如图4（c）所示。可以看出，一个振动周期内，振动位移节点随着时间向右移动。

图4 (a) 二阶弯振模态

图4 (b) 三阶弯振模态

图4 (c) 非共振行波

03重要结论

整体来看，所建立的理论模型的计算结果与测振试验结果具有较好的一致性。声操控装置前三阶弯振模态的共振频率差值较小、振型吻合度较高，证明了所建立的机电耦合动力学模型及样机装配的正确性。

激光测振仪凭借其高精度、非接触的测量优势，在微球声操控装置的研发、优化及性能验证中具有不可替代的应用前景，是保障装置从理论设计走向实际有效应用的关键测试工具。