基于换能器阵的超声驻波悬浮传输控制及实验研究

发布时间：2017-04-27 22:03

  本文关键词：基于换能器阵的超声驻波悬浮传输控制及实验研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在超声驻波悬浮技术的基础上,换能器阵式超声驻波悬浮传输技术逐渐发展起来,通过将多个换能器组合起来形成换能器阵列,利用某种控制方法对换能器阵的振元进行控制,从而改变声场参数,实现换能器阵式超声驻波悬浮传输。超声驻波悬浮传输技术可实现对微量液体材料或微小器件的非接触操作,使其在微装配、生物化学工程、制药、凝固态物理学、无容器的材料处理和制备、液滴动力学、太空实验、材料工业等领域得到广泛的应用。本文首先根据Gor’kov的声场时间平均势理论,以直径为2mm的泡沫小球为研究对象,通过将声场和重力场耦合,推导出了耦合场中小球总势能、推进力和回复力常数的表达式,对换能器阵式超声驻波悬浮传输的机理进行了分析,并确定了传输平稳性和悬浮稳定性的评价标准;在换能器式超声驻波悬浮传输的机理的基础上,提出了基于振元幅值调制的传输方法和基于振元相位调制的传输方法,并对两种传输方法进行了仿真,对不同时刻被传输小球的位置、传输平稳性和悬浮稳定性进行了预测,探讨了被传输小球密度对传输性能的影响和换能器振幅对传输系统密度阈值的影响。其次对换能器阵式超声驻波传输对控制电源的性能要求进行了分解,并根据性能要求,对控制电源的信号发生模块、功率放大模块和阻抗匹配模块进行了设计。研制出了具有两路信号输出且两路信号频率、相位及幅值可调功能的高频控制电源,并对电源的性能进行了实验验证。最后,根据换能器阵式超声驻波传输机理和两种传输方法的仿真结果,建立了换能器阵式超声驻波传输实验系统,以泡沫小球为研究对象进行了单程传输实验、往复传输实验,以泡沫小球、水球、玻璃球、钢球和铅球进行了被传输物密度对传输性能影响实验和传输系统密度阀值实验,对传输过程中小球的位移和振动情况进行了测量。
【关键词】：换能器阵 超声驻波悬浮传输 耦合场 阵元幅值调制 阵元相位调制
【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】：TB559
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-17
• 1.1 课题背景9-10
• 1.2 国内外研究现状10-15
• 1.2.1 超声驻波传输技术概述10-12
• 1.2.2 超声驻波悬浮的国内外研究现状12
• 1.2.3 超声驻波传输控制的国内外研究现状12-15
• 1.3 课题研究目标15
• 1.4 本课题主要研究内容15-17
• 第2章 耦合场作用下的换能器阵式驻波悬浮传输方法17-32
• 2.1 多场作用下的换能器阵式超声驻波悬浮传输机理17-20
• 2.1.1 声辐射时间平均势能的描述17
• 2.1.2 重力势能的描述17-18
• 2.1.3 基于声场和重力场耦合的换能器阵传输机理18-20
• 2.1.4 悬浮稳定性及传输平稳性描述20
• 2.2 基于阵元幅值调制的传输方法仿真20-26
• 2.2.1 换能器阵式耦合场参数化模型的建立20-22
• 2.2.2 耦合场势阱仿真22-25
• 2.2.3 耦合场作用下的传输平稳性及悬浮稳定性仿真25-26
• 2.3 基于阵元相位调制的传输方法仿真26-30
• 2.3.1 耦合场势阱仿真26-29
• 2.3.2 耦合场作用下的传输平稳性及悬浮稳定性仿真29-30
• 2.4 被悬浮物密度对传输性能的影响30-31
• 2.5 本章小结31-32
• 第3章 适合 1×2 换能器阵悬浮传输的超声电源研制32-45
• 3.1 超声电源总体设计32-33
• 3.1.1 电源的性能指标分解32
• 3.1.2 多参数可调双输出的高频电源总体设计32-33
• 3.2 相位差和频率可调的双信号发生模块研制33-39
• 3.2.1 主芯片的选取33-34
• 3.2.2 外围电路设计34-38
• 3.2.3 性能实验38-39
• 3.3 连续可调的功率放大模块研制39-40
• 3.3.1 功率放大电路设计39-40
• 3.3.2 性能实验40
• 3.4 电端阻抗匹配模块研制40-43
• 3.4.1 电端阻抗匹配电路设计40-43
• 3.4.2 性能实验43
• 3.5 本章小结43-45
• 第4章 换能器阵式超声驻波悬浮传输实验研究45-59
• 4.1 换能器阵式超声驻波悬浮传输实验系统设计45
• 4.2 实验系统控制电源的选用45-46
• 4.3 实验系统超声波换能器阵的选用46-49
• 4.3.1 换能器阵的结构尺寸46-47
• 4.3.2 换能器阵振幅的标定47-49
• 4.4 实验系统的建立49
• 4.5 换能器阵式超声驻波传输实验49-58
• 4.5.1 单程传输实验49-52
• 4.5.2 往复传输实验52-54
• 4.5.3 悬浮稳定性试验54-56
• 4.5.4 被悬浮物密度对传输性能的影响实验56-58
• 4.6 本章小结58-59
• 结论59-60
• 参考文献60-64
• 致谢64

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本文编号：331490