5.5  声学串扰

5.5 声学串扰

一个在供墨或者贮墨处的墨汁通道内部,完整的压力波反射是非常重要的,没有一个完整的压力波反射,压力波的一部分将会通过供应和储存器,从开动的通道中来的部分透过的压力波将会全部进入其他通道内,作为来自通道供给侧的行波,从而导致一个贯穿整个打印头的声学串扰效应。

当通道的特征声阻抗Z改变时,沿着通道方向传播的压力波将会被反射,通道的声阻抗取决于通道的横截面积A和声音传播的速度c:

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式中,ρ表示墨汁的密度;声音的速度受通道横截面积的顺度β影响[18]

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在域1和域2之间界面上的反射和透射系数是

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当顺度不变时,下面的关系成立:

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一种选择是使供给的声学阻抗尽可能低,由于声学阻抗与通道横截面积成反比,则供给通道必须拥有比压力通道大得多的尺寸。第一步,对于单独的通道,不要用分离的供给通道,除了在油墨域的三维有限元声学模型下,对于所有通道大的供应,如图5.4a所示。

为了减少声学串扰,供给的最小高度可以用上述模型计算出来。当只有一个单独的通道开动时,一个1mm高的供给足以得到几乎完整的反射。但是,当全部的通道开动时,压力波相当多的部分透过供给。只有压力通道和供给的高度差对声学阻抗差有作用。对于一个100μm高的通道,为了使透过的压力波至少低于来波的1%,供给的高度必须保持在10mm内。这并不总是可能的,因为打印头的尺寸必须保持在一定的限度内。

降低供给阻抗的另一个方法是增加供给的顺度。最简单的增加供给顺度的方法是在电源上覆盖一层薄箔[19,20],当压力波到达供给时,顺应的箔片会变形。在供给高度为1mm、角度为45°的情况下,顺应的箔片覆盖一个1.4mm的间隙。当一个振幅为0.8bar的压力波到达供给时,一个25μm的聚酰亚胺箔片会偏转300nm,如图5.4b所示。这时可以补偿声压力波的完整位移,从而消除了声压(在有非常大的供给的情况下会发生)。对于一个单独通道的行为,顺应的箔片没有任何影响,反射已经完成了。

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图5.4 a)一个通过供墨槽相连的多个通道的墨水域的三维Ansys的模型 b)压力波到达供给,用一个单通道的三维Ansys模型计算,通道结构围绕着供给并伴随着顺应箔片的变形。当振幅为0.8bar的声压波到达供给,25μm的聚酰亚胺箔片覆盖在一个1.44mm长、弯曲几乎达到300nm的缺口。这导致声压 波的完整反射。为了使箔片清晰可见,墨水域被从图中去除了

顺度的影响和增加额外的体积Vc到供墨通道体积Vs的效果是一样的,通过在电源中液体的体积顺度ρc2和未变形供给体积Vs所决定的顺度,得到额外体积的公式:

Vc=βρc2Vs (5.6)

在一个25μm聚酰亚胺箔片覆盖一个1.5mm长的缺口的情况下,顺度是,并且Vc的额外体积比电源自身的体积Vs的6倍还要大。

另一个选择是使用一个封闭的边界,在供给处有一个小的入口的情况下,声学串扰也可以被消除[21-25]。当一个位于压力通道处的入口的长度多于压力通道压力长度的10%,并且小于通道横截面积的25%时,少于1%的来自通道的压力波会透过[1]。入口的横截面积必须小于,或者其长度必须大于这些值,以防止声学串扰。

但是,声学串扰仍旧可以通过晃动模式形成一定的影响,当入口通道具有一定的最小的声阻抗时,共振模式是可能像一个Helmholtz共振器,如参考文献[26]所述。对于这些模式,相对大的体积中的压力通道可以充当弹簧,在喷嘴的墨水作为振动体。寄生模式就是在入口处的墨水作为振动体,它能够发送声压波到供墨处或贮存处。因此入口电感必须比喷嘴电感大几倍来抑制这种模式。