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超声波悬浮用非常规变幅杆的研究

作　者: 梅景放
导　师: 梁延德
学　校: 大连理工大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 近场超声悬浮 超声变幅杆 光学三角法 辐射声压
分类号: TB559
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


近场超声悬浮是近年受到广泛关注的研究热点,其利用高强度声场产生的声辐射压力来平衡物体的重力,使放入声场中的物体悬浮起来。近场悬浮时,声场中的声压分布对悬浮稳定性影响较大,了解复杂型声场的声压分布规律,尤其是更适用于超声悬浮的非常规变幅杆振动所产生的复杂型声场的声压分布规律,对提高悬浮稳定性有很大的帮助。然而,对于复杂型声场,目前尚无可用的理论来描述其声压分布规律,实验性研究也非常少见,为了获得复杂型声场中的声压分布状况,提高悬浮稳定性,本文进行了以下研究：运用现有的变幅杆设计理论和有限元软件,设计了用于近场悬浮的非常规变幅杆。基于此非常规变幅杆,进行理论悬浮高度的推导,给出了悬浮高度和被悬浮片面密度之间的关系。利用光学三角法,测量了7种不同厚度的标准铝盘在近场悬浮实验中的悬浮高度,并与理论悬浮高度进行比较与分析,分别计算了空气对声波的吸收所造成实际悬浮高度误差大小,及超声波在非常规变幅杆中传播时的能量损耗所造成实际悬浮高度误差大小,给出了带有修正系数的悬浮高度计算公式。分别使用驻极体传声器和压电式加速度传感器,在平行于非常规变幅杆上端面不同高度处的平面内,测量了各点的声压大小。利用在每个平面内所测得的声压数据,绘制了各自平面内的声压分布图,利用这些声压分布图,可实现对复杂型声场的近场声压分布的描述。根据所测得的声压分布状况,分析了不同类型悬浮片的悬浮稳定性。在对悬浮中的悬浮片水平方向受力分析时,假设由空气流动所形成的水平粘滞力方向是由声压高的一侧指向声压低的一侧,通过对特殊形状的悬浮片进行悬浮实验,观察各自在水平面上的移动方向,验证了该假设的正确性,从而确定了悬浮片悬浮时底面所受水平力的方向。以上这些研究为提高超声悬浮稳定性,实现超声变幅杆在非接触操作中的应用,作了一次有益的探索。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-23
  1.1 课题研究背景与意义  9
  1.2 超声波悬浮技术概述  9-14
    1.2.1 超声波悬浮的特点  10
    1.2.2 驻波悬浮  10-11
    1.2.3 近场超声悬浮  11-14
  1.3 近场超声悬浮国内外研究现状  14-21
    1.3.1 近场超声悬浮发展历程  14-15
    1.3.2 近场超声悬浮理论研究现状  15-17
    1.3.3 近场超声悬浮应用研究现状  17-21
  1.4 近场超声悬浮发展趋势与存在的问题  21
  1.5 本文研究内容与研究路线  21-23
2 关于超声波传播及声辐射压力理论分析  23-31
  2.1 平面声波垂直入射时的反射和透射  23-24
  2.2 声波在传播过程中介质的吸收  24
  2.3 声辐射压力  24-30
    2.3.1 无限大障板上圆形活塞式声辐射  24-25
    2.3.2 有限束活塞辐射声场  25-27
    2.3.3 弯曲振动圆板声辐射压力  27-28
    2.3.4 近场声辐射压力的测量研究  28-30
  2.4 本章小结  30-31
3 近场超声波悬浮变幅杆设计  31-52
  3.1 常规变幅杆设计  31-40
    3.1.1 阶梯形变幅杆纵向振动理论  31-33
    3.1.2 简单阶梯形变幅杆设计中的频率修正  33-38
    3.1.3 过渡圆弧对阶梯形变幅杆谐振频率的影响  38-40
  3.2 非常规变幅杆设计  40-50
    3.2.1 圆盘自由弯曲振动理论  40-41
    3.2.2 弯曲振动圆盘设计  41-44
    3.2.3 非常规变幅杆设计及分析  44-49
    3.2.4 非常规变幅杆圆盘节点圆位置确定  49-50
  3.3 本章小结  50-52
4 近场超声悬浮实验装置  52-59
  4.1 近场超声悬浮系统装置  52-53
  4.2 悬浮高度测量装置  53-56
  4.3 近场声压测量装置  56-58
  4.4 本章小结  58-59
5 近场超声波悬浮实验研究  59-78
  5.1 近场超声波悬浮高度测量与分析  59-64
    5.1.1 悬浮高度测量实验  59-60
    5.1.2 理论悬浮高度计算  60-62
    5.1.3 实验悬浮高度与理论悬浮高度对比分析  62-64
  5.2 非常规变幅杆近场辐射声压测量实验  64-76
    5.2.1 近场辐射声压测量方案  64-65
    5.2.2 驻极体传声器测量近场辐射声压实验  65-71
    5.2.3 压电加速度传感器测量近场辐射声压实验  71-76
    5.2.4 两种传感器声压测量结果比较  76
  5.3 本章小结  76-78
6 近场超声波悬浮稳定性研究  78-82
  6.1 圆型薄片悬浮稳定性实验研究  78-79
  6.2 环型薄片悬浮稳定性研究  79-80
  6.3 被悬浮物底面水平方向受力研究  80-81
  6.4 本章小结  81-82
结论  82-83
参考文献  83-86
攻读硕士学位期问发表学术论文情况  86-87
致谢  87-88

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 声学工程 > 超声工程 > 超声的应用
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