固体内声悬浮微粒操控系统研究与设计

发布时间：2019-09-12 23:03

【摘要】：对比静电悬浮和电磁悬浮，声悬浮对于悬浮的物体既无导磁导电的要求，也无固态液态的限制，这使得超声悬浮技术能够广泛地应用于各种材料悬浮操控。而今，声悬浮技术得以长足发展，已经解决声悬浮能力小和稳定性差的问题，可以用于非透明固体材料内的声悬浮操控，成为固体内声悬浮微粒操控加工的工具。为在非透明固体材料内实施内部直接加工提供技术支持与硬件支撑，实现固体内通道制造的应用，课题组旨在建立基于超声悬浮的内部直接加工技术，，本论文主要研究和设计固体内声悬浮微粒操控系统，为基于声悬浮的内加工系统提供平台。这种加工技术通过超声波发生器产生的超声波由换能器传导到加工材料中，在内通道中形成腔内超声驻波场，悬浮并操控微粒对材料进行内部直接加工。本论文将超声驻波场对微粒的操控作用，创新地运用到非透明固体材料的加工中，为在非透明固体材料内部直接加工的新方法的探寻提出了新的思路和研究方向。本论文利用的声悬浮技术是通过超声驻波场实现悬浮的，文中推导声悬浮力的理论方程，设计一套声悬浮操控系统，包括超声装置，运动装置和数控装置，优化设计并构建固体内声悬浮微粒操控系统，完成微粒悬浮操控试验，研究固体内声悬浮微粒的可悬浮性、稳定性和可操控性。本论文的研究内容和研究成果如下：（1）根据声学理论方程，推导在超声波垂直入射的条件下的声悬浮力理论方程，反射系数和透射系数，研究材料的超声传导特性，加工材料和微粒材料的选择依据，固体内通道腔内驻波场的原理，并根据理论推导微粒稳定悬浮的位置，建立声悬浮操控系统的理论公式；（2）根据建立的理论公式，设计选型超声装置，运动装置和数控装置，材料选择及加工，设计构建一维、二维和三维声悬浮平台，研究单轴、双轴以及三轴声悬浮装置的悬浮性能，优化设计及构建了固体内声悬浮微粒操控系统；（3）根据构建的声悬浮操控平台，对一维、二维和三维的情况下展开微粒可操控性试验研究，对比各种情况下声悬浮的试验效果，并初步分析研究固体内声悬浮微粒的可悬浮性、稳定性和可操控性，设计声悬浮操控的关键技术参数，得到操控悬浮微粒的重要结论。
【图文】：

杭州电子科技大学硕士学位论文的现状象为 Kundt 此人早在 1886 年发现[4]，这之后有 King，Gorkov 展了全面的阐述[5]。并且早在八十年代就已经研制出了单轴声悬陶瓷将电能转化为机械振动能[7]，再经由变幅杆将振动能幅放端为一个超声波发射器，下端为一定形状的反射端界面[9]。超经过反射端返回[10]，两列波在两端之间形成超声驻波场，将微一平衡位置[12]，如图 1.1 所示。但是，早期的这种装置有两个弱[13]，仅仅可以悬浮起微粒材料或塑料小球或密度 2.7g/cm3铝15]。

声悬浮,三轴

欧洲和美国宇航局为解决此类缺点，研制了三轴声悬浮装置[16]，如图1.2 所示，在悬浮物体的六个面上分别放置了三组发射端和反射端，提高悬浮物体的稳定性[17]。我国对声悬浮的研究起步较晚，于 1992 年才开始开展研究工作[18]。中科院在创建空间材料科学试验室之前就做过声悬浮的理论研究[19]。2001 年，西北工业大学通过进一步提高单轴声悬浮力及稳定性[20]，率先悬浮起密度为 18.9g/cm3的钨饼，而当时国外只悬浮起密度为11.34g/cm3铅球，如图 1.3 所示。2012 年吉林大学研究了基于超声波近场声悬浮的靶丸类微球驱动[21]、浙江工业大学对声悬浮抛光磨粒流场开展了一些列的分析及试验。浙江大学杨克己教授、梅德庆教授、范宗尉博士后发展了 L.V.King 的圆球超声辐射力理论，建立非规则对图 1.1 驻波悬浮图 1.2 三轴声悬浮
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TB559

【参考文献】