聚焦式超声悬浮谐振腔结构设计及实验

论文摘要

本文介绍了超声悬浮在国内外的研究应用现状和发展趋势,讨论了其在农业工程领域生物质精确定位输送的可行性。对比分析了聚焦式超声悬浮和平板式超声悬浮系统的声悬浮辐射力和悬浮稳定性。根据超声悬浮系统工作要求建立了聚焦式超声悬浮系统的三维参数化模型,并建立了聚焦式超声悬浮系统的有限元模型,在此基础上,对聚焦式超声悬浮系统进行仿真分析,得到以下结果:(1)模态分析采用Block Lanczos法,在20k～50k的频率范围搜索到其固有频率为:26311,26575,26577,28088,31957,33974,34230,34448,34449,37951Hz。四阶频率28088Hz下的纵向振动模态是最符合工作要求的,将其作为超声悬浮机构的工作频率。(2)在模态分析的基础上,对超声换能器进行了瞬态动力学分析。在超声换能器上分别加载三角波和方波电压,结果表明方波电压适合驱动换能器。在换能器上加载不同值的方波电压,辐射端面随着电压的提高,响应时间越短,响应值越大。(3)以模态分析和瞬态分析的结果对不同谐振腔壁进行谐响应分析,得到了谐振腔的声压分布以及声场特性,据此优化设计谐振腔的辐射端面为球面,且谐振腔壁内径与辐射端外径相等;在优化谐振壁后对不同谐振腔长度(L)的超声悬浮系统进行了谐响应分析。结果显示随着L值的增大,声压值变化的趋势是先增大,然后趋向减小。根据仿真结果加工制造了超声悬浮系统实物模型,测试了实物模型最佳工作频率为28000Hz,与仿真结果(28088Hz)相差3%,满足工程精度的要求。在此频率下进行了种子悬浮实验,实验结果如下:(1)种子悬浮在谐振腔中心的波节或波腹点附近;(2)对不同类型谐振腔壁和不同谐振腔长度下的悬浮性能进行了实验,结果表明优化后的谐振腔对超声悬浮系统的悬浮性能有很大的改善;(3)利用声压与功率成正比的关系,测量了同一颗种子在不同L值下使悬浮种子能够稳定的悬浮起来悬浮系统的功率。得到功率与L值的实验曲线,据此得到声压与谐振腔长度(L)的关系曲线,随着L值的增大,谐振腔内声压呈先增大后减小的趋势。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 超声悬浮国内外研究现状
• 1.3 我国超声悬浮的发展及趋势
• 1.4 研究意义
• 1.5 本论文主要研究目的和研究思路
• 第二章 超声悬浮理论研究及其结构实现
• 2.1 悬浮概述
• 2.1.1 声学波动方程
• 2.1.2 声辐射力
• 2.1.3 超声悬浮稳定性
• 2.2 超声悬浮的技术发展
• 2.3 超声悬浮系统的工作原理及基本结构
• 2.4 超声悬浮系统三维模型的建立
• 2.5 本章小结
• 第三章 超声悬浮数值模拟
• 3.1 有限元法
• 3.2 声固耦合理论分析
• 3.3 模态分析
• 3.3.1 有限元模型的建立
• 3.3.2 有限元模态计算参数确定
• 3.3.3 有限元模态计算及结果分析
• 3.4 瞬态动力学分析
• 3.5 谐振腔谐响应分析
• 3.5.1 有限元模型的建立
• 3.5.2 谐相应边界条件确定
• 3.5.3 谐相应计算及结果分析
• 3.5.4 谐振腔优化设计方案
• 3.6 本章小结
• 第四章 超声悬浮实验结果和分析
• 4.1 实验装置及实验方案
• 4.2 实验结果和分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 主要工作及结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间的学术成果