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单轴声悬浮装置的ANSYS仿真实验研究

作　者: 廖然
导　师: 李全禄
学　校: 陕西师范大学
专　业: 声学
关键词: 超声波悬浮技术旋转聚焦辐射体声辐射力
分类号: O426.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

超声波发生器所发出的超声波在空间中经过反射板的反射之后,反射声波与发射声波在两板之间的空间中相遇进而叠加之后会形成超声驻波,物体位于超声驻波波节处的时候可以被稳定的悬浮起来,这种声学技术称之为超声悬浮。声场的非线性的特点在在20KHz以上的频率范围和高强度声学条件下会表现的十分明显。由于物体在非线性的声场中受到向上的声辐射压力和向下的重力相平衡而静止不动的一种现象就是超声悬浮。用来克服物体的重力的是声驻波在竖直方向上产生的悬浮力,与此同时声悬浮技术产生的定位力会在水平方向上将物体固定在声压波的波节处。超声悬浮技术已经得到了十分广泛的应用,特别是在农业、工业等多个领域。它同时也是对各种材料进行无容器处理,不论是在地面条件还是在空间条件下都是一种关键的技术。超声悬浮技术也发挥了重大作用,不管是在材料的无容器凝固、还是在液体物理性质的非接触测量甚至于在自由液滴动力学研究中。拒绝种子与外界接触,为了得到品种优良的种子方面也可以使用超声悬浮技术。超声悬浮技术与其他悬浮技术相比还有不受材料的导电性影响的好处,并且加热物体和对物体的悬浮是可以分别控制的,同时在研究非金属材料的性能,进行低熔点合金的无容器凝固、加热、传输上同样可以使用声悬浮技术。声悬浮的应用种类会随着航空航天技术的不断进步以及宇宙空间资源的不断开发和利用而更加多种多样,其应用的范围会更加的广阔。声悬浮技术作为一种无容器处理技术逐步的更有潜力的,应用的前景将会更加的广阔。将物体悬浮成功与否的关键是如何确定声悬浮装置的设计和组成,声悬浮装置一般情况分为两种,一种是单轴式声悬浮,另一种是三轴式声悬浮。能够在竖直的方向上产生驻波,并激发声场平衡物体的重力使物体悬浮的装置成为单轴式悬浮；而在空间中三个相互正交的方向(就像墙角的三个方向)分别产生一列驻波使物体能够在空间中进行移动和转动并且平衡物体重力的装置成为三轴式悬浮装置。三轴式悬浮装置是由三个相互正交的单轴式悬浮装置组成的,对于其单轴式的悬浮装置来说,三轴式悬浮装置的设计个构成要复杂得多。声悬浮技术在实际中的应用到目前为止并不广泛,究其原因是如下这样的声悬浮装置非常少,这种声悬浮装置要求功率大、功能强、悬浮能力强而且稳定。作为一种造价较为昂贵的装置三轴式悬浮装置并不是凭空出现的,它是以单轴式悬浮装置为基础的,所以大批量生产显得十分不易。要想使三轴式声悬浮装置得到更为广泛而实际的应用就必须要能研制出辐射功率大、悬浮能力强的单轴式声悬浮装置。本文采用理论结合实验的方法针对现有悬浮能力弱,悬浮不稳定的单轴式声悬浮装置的现状,进行了较为系统、深入的研究并针对单轴式声悬浮装置进行了改良而且分析了对影响悬浮能力的主要因素,主要获得以下几个方面的研究成果。1、为了使超声振动的位移振幅和速度振幅能够增强,并连接和匹配其它的声学器件,进而进行工作,我们就需要超声变幅杆,所以在结合聚焦装置使声能聚焦的同时利用变幅杆增大振幅,使超声悬浮能力得到进一步的提高。2、利用声聚焦原理可以有效的获得高声强,所以把我们可以聚焦辐射型换能器；同时也可以利用声透镜进行聚焦；还可利用形成声驻波的方式进行聚焦,即运用反射板将入射声波反射之后与入射声波相叠加形成驻波。要想获得不同的驻波声场和不同的聚焦区域,我们可以调整反射板表面形状,也可以调整反射板到辐射端面的距离。3、由于超声变幅杆和声能聚焦辐射体的振动形态比较复杂,不能通过计算得出,所以我们利用ANSYS有限元软件对这两者进行了振动形态的模拟。为使两者能够更好得谐振,需要对这两个装置进行尺寸和形状的调整。4、想要很好的提高换能器的声辐射功率,在空间单中形成高强度声场并且大大提高悬浮能力和稳定性,就需要所设计的变幅杆与声能聚焦辐射体形状合理、尺寸合适,将两者连接后在两者阻抗相互匹配,理想谐振的情况下进行进一步的研究。5、调节反射板到发射端面之间的距离,以每次半个波长的长度进行改变,从而对物体的悬浮位置进行观察并且测量物体所受悬浮力是如何变化的,得到了这样的仿真实验结果：随着反射板与发射端面间距不断减小悬浮能力先增强后减弱。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-20
  1.1 声悬浮技术与其它悬浮技术的比较  10-12
    1.1.1 声悬浮技术  10-11
    1.1.2 其他悬浮方式  11-12
  1.2 声悬浮技术的发展情况  12-16
    1.2.1 国外研究概况  13-14
    1.2.2 国内研究概况  14-15
    1.2.3 发展趋势  15-16
  1.3 声悬浮技术的应用  16
  1.4 选题背景及其研究意义  16-17
    1.4.1 课题研究背景  16-17
    1.4.2 课题研究意义  17
  1.5 本文的主要工作  17-20
第2章超声悬浮技术理论  20-28
  2.1 超声悬浮基本原理和分类  20-21
    2.1.1 近场悬浮  20
    2.1.2 驻波悬浮  20-21
  2.2 声悬浮能力  21-23
    2.2.1 声辐射压力  21-22
    2.2.2 时间平均势  22-23
    2.2.3 回复力和恢复系数  23
  2.3 声悬浮装置介绍  23-24
  2.4 声悬浮装置的优化  24-25
  2.5 实验装置  25-26
  2.6 本章小结  26-28
第3章旋转聚焦辐射体有限元分析  28-40
  3.1 ANSYS概述  28
  3.2 有限元分析的理论方法  28-29
  3.3 ANSYS软件的主要分析类型  29-31
  3.4 ANSYS进行模态分析的过程  31-32
  3.5 用ANSYS模拟旋转聚焦辐射体  32-35
    3.5.1 轴对称薄壳的变形  33
    3.5.2 旋转聚焦辐射体的ANSYS模态分析  33-35
  3.6 同频率阶梯变幅杆的设计与ANSYS分析  35-38
    3.6.1 阶梯型变幅杆的几何形状和频率方程  35-37
    3.6.2 阶梯型变幅杆的ANSYS模拟分析  37-38
  3.7 本章小结  38-40
第4章旋转聚焦辐射体的悬浮仿真实验研究  40-50
  4.1 反射板到辐射体端面的距离与悬浮能力的关系  40-46
    4.1.1 实验设计  40
    4.1.2 仿真实验过程及步骤  40-42
    4.1.3 仿真实验数据和结果分析  42-46
  4.2 反射板到辐射体端面的距离与声辐射压力的关系  46-49
    4.2.1 声辐射压力的测量方法  46
    4.2.2 仿真实验数据和结果分析  46-49
  4.3 本章小结  49-50
第5章总结与展望  50-52
  5.1 总结  50-51
  5.2 展望  51-52
参考文献  52-56
致谢  56-58
攻读学位期间的研究成果  58

单轴声悬浮装置的ANSYS仿真实验研究

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