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抛物线旋转聚焦辐射体声悬浮装置的研究

作　者: 卢晓静
导　师: 牛勇
学　校: 陕西师范大学
专　业: 声学
关键词: 超声悬浮抛物线旋转聚焦辐射体悬浮力
分类号: O422
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

声悬浮是声波发生器产生的声波经反射板反射后,反射波与发射波在空间相遇、叠加形成声驻波,位于波节处的物体可以被稳定悬浮起来的一种声学技术。在超声频率范围和高声强条件下,声场的非线性特点会表现的非常明显。超声悬浮其实就是物体在非线性声场中受到声辐射压力与重力相平衡而静止不动的一种非线性现象。其基本原理是利用声驻波所产生的竖直方向的悬浮力与物体相互作用以克服物体的重量,同时在水平方向产生的定位力将物体固定于声压波节处。该技术在工业,农业等多个领域已得到了广泛的应用。它也是在地面和空间条件下实现材料无容器处理的关键技术之一。在材料的无容器凝固、液体物理性质的非接触测量以及自由液滴动力学研究中发挥了巨大作用。农业中,为了培育优良种子,避免种子与外界接触也使用超声悬浮技术。和传统悬浮技术相比,它还有不受材料导电与否的限制,且悬浮和加热分别控制,因而还可用以研究非金属材料和低熔点合金的无容器凝固、加热、传输。同时随着航天技术的进步和空间资源的不断开发与利用,声悬浮的应用会更加多样,范围会更加广阔,将逐步发展成为一项很有潜力,应用前景无穷的无容器处理技术。声悬浮装置的设计和搭建是能否成功悬浮物体的关键,一般分有单轴式和三轴式两种。单轴式是在竖直方向上产生一列驻波,其悬浮定位力由圆柱形谐振腔所激发的一定模式的声场来提供。三轴式是在空间三个正交方向分别激发一列驻波以控制物体的位置,可使悬浮物体在空间进行移动或转动。显然三轴式悬浮装置是以单轴式悬浮为基础,在装置设计和要求上要远复杂于单轴式的悬浮装置。截止目前,声悬浮技术在实际中还没得到广泛的应用。这其中一个非常重要的原因就是很少有功能强、功率大、悬浮能力强而稳定的简单声悬浮装置。三轴式悬浮装置是在单轴式悬浮装置基础上发展起来且造价较为昂贵的仪器,大批量生产并不容易。如果能研制出辐射功率大、悬浮能力强的单轴式声悬浮装置,必然会使其得到更广泛而实际的应用。本文针对当前单轴式声悬浮装置悬浮能力较弱,悬浮不稳定的现状,采用理论和实验相结合的方法,对单轴式声悬浮装置进行了改进并对影响悬浮能力的主要因素进行了较为系统、深入的研究,主要取得以下几方面的研究成果。1、超声变幅杆可以把超声振动的位移振幅或速度振幅增大,并能与其他声学器件较容易的连接和匹配工作,故在利用变幅杆增大振幅的同时可以结合聚焦装置使声能聚焦,从而提高悬浮能力。2、获得高声强的一种有效方法是利用声聚焦原理,把换能器设计成聚焦辐射型或利用声透镜进行聚焦；还可利用反射板将入射声波反射形成声驻波的方式进行聚焦。反射板表面形状的不同,反射板到辐射端面的距离不同获得的驻波声场,聚焦区域不同。3、利用ANSYS有限元分析软件对超声振动悬浮系统中的超声变幅杆、声能聚焦体进行了振动形态的模拟,从而起到了指导和修正器件尺寸、结构,以便更好达到两者谐振的作用。4、变幅杆与合理形状、尺寸的聚焦辐射体相结合,在两者阻抗匹配,谐振理想的情况下可以很大程度提高换能器的声辐射功率,在空间可以形成高强度声场,悬浮能力和稳定性有较大提高。5、空气中的高频声波波长较短,以半个波长的间距改变反射板与发射端面的距离,观察了物体的悬浮位置和悬浮能力如何变化和分布,得到了随着反射板与发射端面间距不断减小悬浮能力先增强后减弱的实验结果。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-17
  1.1 声悬浮技术的发展概况  9-12
    1.1.1 国外声悬浮技术的研究概况  9-10
    1.1.2 国内声悬浮技术的研究概况  10-11
    1.1.3 声悬浮技术的发展趋势  11-12
  1.2 声悬浮技术的应用  12
  1.3 声悬浮技术与其它悬浮技术的比较  12-14
    1.3.1 声悬浮技术  13
    1.3.2 其他悬浮方式  13-14
  1.4 选题背景及其研究意义  14-15
    1.4.1 课题研究背景  14-15
    1.4.2 课题研究意义  15
  1.5 本文的主要工作  15-17
第2章超声悬浮技术理论  17-23
  2.1 超声悬浮基本原理和分类  17-18
    2.1.1 近场悬浮  17
    2.1.2 驻波悬浮  17-18
  2.2 声悬浮能力  18-20
    2.2.1 声辐射压力  18-19
    2.2.2 时间平均势  19-20
    2.2.3 回复力和恢复系数  20
  2.3 本章小结  20-23
第3章抛物线旋转聚焦辐射体有限元分析  23-39
  3.1 有限元方法概述  23-24
  3.2 有限元分析方法的基本思想  24
  3.3 ANSYS分析的一般步骤  24-26
  3.4 ANSYS分析类型  26-27
  3.5 ANSYS在模态分析中的应用  27-30
  3.6 抛物线旋转聚焦辐射体的ANSYS模拟  30-35
    3.6.1 轴对称薄壳的变形  31
    3.6.2 抛物线旋转聚焦辐射体的ANSYS模态分析  31-35
  3.7 阶梯型变幅杆的Ansys分析  35-38
    3.7.1 阶梯型变幅杆的几何形状和频率方程  35-36
    3.7.2 阶梯型变幅杆的ANSYS模态分析  36-38
  3.8 本章小结  38-39
第4章声悬浮装置  39-45
  4.1 声悬浮装置介绍  39
  4.2 声悬浮装置的优化  39-41
  4.3 抛物线旋转聚焦辐射体的声悬浮系统  41-43
    4.3.1 悬浮振动系统的设计  41
    4.3.2 实验装置  41-42
    4.3.3 实验装置的型号及尺寸  42-43
  4.4 本章小结  43-45
第5章抛物线旋转聚焦辐射体的悬浮实验研究  45-55
  5.1 反射板到辐射体端面的距离与悬浮能力的关系  45-49
    5.1.1 实验设计  45
    5.1.2 实验过程及步骤  45-46
    5.1.3 实验数据和结果分析  46-49
  5.2 反射板到辐射体端面的距离与声辐射压力的关系  49-53
    5.2.1 声辐射压力的测量方法  49-50
    5.2.2 实验过程及步骤  50
    5.2.3 实验数据和结果分析  50-53
  5.3 本章小结  53-55
第6章总结  55-57
参考文献  57-61
致谢  61-63
攻读学位期间的研究成果  63-64

抛物线旋转聚焦辐射体声悬浮装置的研究

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