超声驻波悬浮传输装置的研制与实验

发布时间：2017-10-24 21:13

  本文关键词：超声驻波悬浮传输装置的研制与实验

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【摘要】：随着物理、化学、生物、制药、材料以及力学等学科的迅速发展,对样品的处理要求越来越高,传统的样品处理方法会使样品与容器器壁接触,而容器器壁会对样品产生各种干扰,如:容器器壁会对被分析样品产生污染,其吸附性会影响本来就微量的待测物的成分检测,并且会对采用光学手段进行检测的检测信号产生干扰。超声驻波悬浮技术可以实现被分析样品的无容器处理,因而可以避免因容器器壁在样品处理过程中产生的各种缺陷,超声驻波悬浮传输技术还可以实现被检测样品的非接触式传输、融合、提取等。超声换能器以及换能器阵是实现驻波悬浮传输的装置。本文首先分析了超声驻波声场中的波动方程,以此方程为基础得出了平面驻波声场中声压的分布以及媒质质点速度的分布,结合时间平均势的理论,获得了平面驻波声场中被悬浮小球受到的声辐射力,并根据悬浮小球受到的重力与声辐射力的关系得到了悬浮小球的理论稳定悬浮位置。其次,利用得出的声辐射力的表达式,理论计算出本文对换能器辐射端振幅的设计要求。本文要求设计的单轴式换能器能悬浮起钢球;换能器阵能实现泡沫小球的悬浮传输,因此要求换能器阵元能够悬浮起泡沫小球;根据此要求,得出此时要求单轴式换能器辐射端的振幅为66.08μm,换能器阵元的辐射端振幅为7.5μm;以换能器辐射端的振幅为设计目标,根据一维变截面杆的纵振方程,采用解析法对本文的单轴换能器以及换能器阵进行设计,并对设计的换能器进行模态分析。再次由于换能器阵元之间存在频率差异,为了减小频率差对传输的影响,对换能器阵元采用柔性支撑的方式,本文为所设计的悬浮传输器设计了一套谐振腔长度调节精度为微米级的支撑装置;利用本文设计的悬浮传输装置,对所设计的换能器阵元、换能器阵和单轴式换能器进行单层及多层的悬浮、传输能力的实验验证;最后采用单轴级联式换能器验证了水滴悬浮时声辐射力对水分子吸附力的影响。
【关键词】：声悬浮力 换能器 换能器阵 超声驻波悬浮 超声驻波传输
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB552
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-22
• 1.1 课题背景9-10
• 1.2 国内外研究现状10-20
• 1.2.1 超声驻波悬浮理论的国内外研究现状10-11
• 1.2.2 超声驻波悬浮传输装置的国外研究现状11-17
• 1.2.3 超声驻波悬浮传输装置的国内研究现状17-19
• 1.2.4 超声驻波悬浮传输应用的国内外研究现状19-20
• 1.3 本课题主要研究内容20-22
• 第2章 超声驻波悬浮原理22-32
• 2.1 理想媒质中的声波动方程22-26
• 2.1.1 运动方程22-23
• 2.1.2 连续性方程23-25
• 2.1.3 物态方程25
• 2.1.4 一维波动方程25-26
• 2.2 基于波动方程的驻波声场声参数描述26-29
• 2.2.1 超声驻波声场压强及质点速度分布26-27
• 2.2.2 超声驻波声场时间平均势和声悬浮力描述27-29
• 2.3 被悬浮物理论稳定悬浮位置分析29-31
• 2.4 本章小结31-32
• 第3章 超声驻波悬浮传输器的研制32-55
• 3.1 单轴换能器的研制32-43
• 3.1.1 单轴换能器的设计要求32-34
• 3.1.2 半波长压电振子的设计34-38
• 3.1.3 半波长纯阶梯形一级变幅杆设计38-40
• 3.1.4 半波长二级变幅杆设计40-43
• 3.2 换能器阵式悬浮传输换能器阵的研制43-48
• 3.2.1 换能器阵的设计要求43-44
• 3.2.2 半波长换能器阵元的压电振子设计44-46
• 3.2.3 半波长换能器阵元的变幅杆设计46-48
• 3.3 超声换能器的模态分析48-51
• 3.3.1 级联式超声换能器的模态分析48-50
• 3.3.2 半波长超声换能器的模态分析50-51
• 3.4 超声换能器的性能参数测定51-54
• 3.4.1 超声换能器的串联谐振频率分析51-53
• 3.4.2 超声换能器的辐射端面振幅测量53-54
• 3.5 本章小结54-55
• 第4章 超声驻波悬浮传输的实验55-71
• 4.1 超声驻波悬浮传输实验平台的设计与搭建55-58
• 4.1.1 超声驻波悬浮传输实验系统的设计55
• 4.1.2 驻波悬浮传输换能器支撑装置的设计55-56
• 4.1.3 搭建实验平台56-58
• 4.2 超声换能器阵元的驻波悬浮能力58-62
• 4.2.1 超声换能器阵元的单层驻波悬浮能力58-60
• 4.2.2 超声换能器阵元的多层驻波悬浮能力60-62
• 4.3 超声换能器阵的驻波悬浮传输能力62-66
• 4.3.1 超声换能器阵的单层驻波悬浮传输能力62-63
• 4.3.2 超声换能器阵的多层驻波悬浮传输能力63-66
• 4.4 级联式超声换能器的悬浮能力66-70
• 4.4.1 级联式超声换能器的单层悬浮能力66-67
• 4.4.2 级联式超声换能器的多层悬浮能力67-69
• 4.4.3 级联式超声换能器水滴悬浮的实验69-70
• 4.5 本章小结70-71
• 结论71-73
• 参考文献73-79
• 致谢79

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 洪振宇;吕勇军;解文军;魏炳波;;声悬浮条件下Bi-Ga过偏晶合金的液相分离[J];科学通报;2006年23期

2 闫娜;耿德路;洪振宇;魏炳波;;声悬浮和强激光耦合作用下三元Al-Cu-Si合金的快速凝固[J];科学通报;2011年Z1期

3 杜人君;解文军;;声悬浮条件下环己烷液滴的蒸发凝固[J];物理学报;2011年11期

4 沈昌乐;解文军;洪振宇;魏炳波;;声悬浮技术的发展及应用[J];现代物理知识;2010年03期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 张甲;基于换能器阵的原油超声波防蜡降粘技术研究[D];哈尔滨工业大学;2009年

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本文编号：1090547