超声驻波在密闭温度场中的悬浮特性与实验研究

发布时间：2019-11-03 19:21

【摘要】：在现有的各种悬浮技术中,超声悬浮由于对被悬浮物没有电磁性质上的要求,可以悬浮起任何性质的材料,并且没有附加热效应,因此被广泛的应用到无容器处理研究中。本文在深入研究超声驻波悬浮理论的基础上,分析了影响超声驻波悬浮的关键因素,设计了一套密闭加热超声悬浮装置,并对各种材料进行了悬浮和加热实验。首先阐述了超声悬浮技术的应用和发展,分别从超声驻波悬浮和近声场悬浮两个方面详细介绍了声悬浮技术的研究现状,其中着重介绍了提高超声悬浮性能的研究。分析了影响超声悬浮性能的三个主要因素,分别为谐振腔的作用、介质密度与重力水平的影响,本文主要讨论温度对超声悬浮性能的影响,介绍了温度在超声悬浮中的应用,提出了文本的主要研究内容——设计密闭加热超声悬浮装置,讨论温度变化后,超声悬浮性能的变化。从超声悬浮理论入手,简述了超声驻波的悬浮机理,分别从声压、声辐射力、势阱等方面对超声驻波悬浮的机理进行简述,详细分析了被悬浮物的悬浮位置及与悬浮稳定性之间的关系,为本文的主要研究内容提供了理论依据。同时还分析了温度对超声悬浮的影响,分别从温度对介质密度的影响,以及温度对声传播速度的影响两方面进行讨论,通过研究分析得出,当温度增加后,在谐振间距不变的情况下会削弱声辐射力,为后续研究与实验提供了计算公式及理论依据。分析了传热的原理,为本文的加热实验提供新的方法。对密闭加热超声悬浮系统进行了设计与研究,此系统主要包括超声悬浮部分、密封部分、电控调节部分以及加热部分。在超声悬浮部分中,对压电换能器和变幅杆进行结构设计以及材料选择;对密封部分进行整体设计,重点确定了上腔体和圆柱腔的结构及配合方式;对温控部分进行设计,确定了本文实验设备的加热方式,以及整个温度控制系统的构成及各部分原理;设计了电控系统,包括系统中各器件的工作方式,并设计了PLC的程序图。利用ANSYS仿真软件对超声换能器进行流固耦合仿真,得到在不同发-反距离下的声压分布,并对每种发-反距离下进行不同温度的声压仿真,对比三种情况下的最大声压值,发现随着温度的增加,最大声压逐渐减小,通过计算增加温度后的最大声压值和常温下的最大声压值的差,并求出减小的百分比。搭建了密闭超声悬浮加热实验测试系统,完成了超声悬浮装置常温下的悬浮实验,得出了每种悬浮模式下的谐振距离,探讨了不同模式下的功率差异;完成了超声悬浮装置在密闭条件下的加热实验,首先在同一谐振距离进行了不同温度条件下的悬浮实验,通过对比实验数据,得出温度变化后谐振距离的变化情况;同时,对温度变化后的悬浮力进行实验研究,利用三个重力不同的物体分别对悬浮力进行测量。通过分析实验结果,验证了本文理论和仿真所得结论的正确性。综上所述,本文从仿真分析和实验研究两个方面,完成了超声驻波在密闭温度场中悬浮特性的研究,得出了在谐振间距等其他因素不变的条件下,增加声场的温度,会削弱声悬浮力的结论,最后针对本文设计的密闭加热超声悬浮装置存在的问题,提出了改进建议和设想,为后续的研究工作奠定了基础。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB55

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本文编号：2555233