超声波近场悬浮稳定性与悬浮高度研究

摘要

超声波近场悬浮是利用超声振动的声源和平面悬浮物之间形成的空气层实现非接触夹持或运输的。相比于其他悬浮方式，超声波近场悬浮有悬浮力大、无电磁干扰、对悬浮物无材料要求等优点，在高精密加工领域有广阔的应用前景。但是目前为止对近场悬浮中回复力的产生机理还没有一个统一的解释;悬浮力的计算也不是特别准确，没有把悬浮物本身对声场辐射力的影响考虑在内。文章从理论和实验两个方面对回复力和悬浮力进行研究。主要研究内容如下:
　　根据声传播理论分析声场的近场特性和远场特性，深入研究近场悬浮机理，分别应用Rayleigh方程和Reynolds方程求解悬浮中的悬浮力，并比较Rayleigh方程与Reynolds方程解析解之间的差异。同时还对Reynolds方程进行数值求解，得到悬浮过程中声压分布。
　　分析悬浮稳定性，根据悬浮片实际运动状态和悬浮力计算公式，得到悬浮片偏离变幅杆端面圆心时中间空气层的声压分布以及其运动方向，结合流体粘性切应力理论得出回复力产生机理，并基于此理论总结出提高悬浮稳定性的方法。利用有限元方法分别设计传统的平面端面变幅杆和改进的球面端面变幅杆，并利用边界元方法对声场仿真，仿真结果和设计目标相一致。
　　搭建测量两种变幅杆悬浮稳定性的实验平台，采用单反相机追踪悬浮物运动状态，应用Matlab图像处理功能得到运动周期。实验结果证明了上述提高稳定性方法的正确性。利用点激光发生器测量悬浮倾角，根据几何关系推导光斑移动距离与悬浮片倾斜角度关系。从回复周期和悬浮倾角两方面评价两种变幅杆的稳定性，实验结果显示球面变幅杆具有更强的稳定性。
　　利用激光位移传感器研究声反射系数对悬浮高度的影响。实验结果证明相同质量下声反射系数越大悬浮高度越高。从能量角度修正Rayleigh方程，将理论悬浮高度和实际悬浮高度作对比，修正后能提高计算悬浮高度精度。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题背景

1．2 超声波悬浮简介

1．2．1 超声波驻波悬浮

1．2．2 超声波近场悬浮

1．3 超声波近场悬浮研究现状

1．3．1 超声波近场悬浮理论研究

1．3．2 超声波近场悬浮应用研究

1．4 课题研究意义

1．5 本论文节安排

2 超声波近场悬浮理论

2．1 活塞式声源的辐射

2．1．1 远声场特性

2．1．2 声场指向性

2．1．3 近场特性

2．2 悬浮力计算

2．2．1 Rayleigh辐射力

2．2．2 挤压膜模型

2．3 稳定性分析

2．4 本章小结

3 近场悬浮实验设备与变幅杆设计

3．1 超声波近场悬浮实验设备

3．2 变幅杆轴线方向声压测量

3．3 变幅杆设计与声场仿真

3．3．1 变幅杆长度设计

3．3．2 声场仿真

3．4 本章小结

4 悬浮稳定性实验

4．1 粉末实验

4．2 不同直径悬浮片悬浮状态实验

4．3 悬浮稳定性实验

4．3．1 悬浮片回复周期测量

4．3．2 悬浮片倾斜角度测量

4．4 本章小结

5 悬浮高度实验

5．1 声反射理论

5．2 振幅与悬浮高度测量实验

5．2．1 测量装置

5．2．2 变幅杆振幅测量

5．2．3 不同材料悬浮片悬浮高度测量

5．2．4 不同粗糙度悬浮片悬浮高度测量

5．3 Rayleigh公式修正

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢