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固體內(nèi)聲懸浮微粒操控系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2019-09-12 23:03
【摘要】:對(duì)比靜電懸浮和電磁懸浮,聲懸浮對(duì)于懸浮的物體既無(wú)導(dǎo)磁導(dǎo)電的要求,也無(wú)固態(tài)液態(tài)的限制,這使得超聲懸浮技術(shù)能夠廣泛地應(yīng)用于各種材料懸浮操控。而今,聲懸浮技術(shù)得以長(zhǎng)足發(fā)展,已經(jīng)解決聲懸浮能力小和穩(wěn)定性差的問(wèn)題,可以用于非透明固體材料內(nèi)的聲懸浮操控,成為固體內(nèi)聲懸浮微粒操控加工的工具。 為在非透明固體材料內(nèi)實(shí)施內(nèi)部直接加工提供技術(shù)支持與硬件支撐,實(shí)現(xiàn)固體內(nèi)通道制造的應(yīng)用,課題組旨在建立基于超聲懸浮的內(nèi)部直接加工技術(shù),,本論文主要研究和設(shè)計(jì)固體內(nèi)聲懸浮微粒操控系統(tǒng),為基于聲懸浮的內(nèi)加工系統(tǒng)提供平臺(tái)。這種加工技術(shù)通過(guò)超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲波由換能器傳導(dǎo)到加工材料中,在內(nèi)通道中形成腔內(nèi)超聲駐波場(chǎng),懸浮并操控微粒對(duì)材料進(jìn)行內(nèi)部直接加工。本論文將超聲駐波場(chǎng)對(duì)微粒的操控作用,創(chuàng)新地運(yùn)用到非透明固體材料的加工中,為在非透明固體材料內(nèi)部直接加工的新方法的探尋提出了新的思路和研究方向。 本論文利用的聲懸浮技術(shù)是通過(guò)超聲駐波場(chǎng)實(shí)現(xiàn)懸浮的,文中推導(dǎo)聲懸浮力的理論方程,設(shè)計(jì)一套聲懸浮操控系統(tǒng),包括超聲裝置,運(yùn)動(dòng)裝置和數(shù)控裝置,優(yōu)化設(shè)計(jì)并構(gòu)建固體內(nèi)聲懸浮微粒操控系統(tǒng),完成微粒懸浮操控試驗(yàn),研究固體內(nèi)聲懸浮微粒的可懸浮性、穩(wěn)定性和可操控性。 本論文的研究?jī)?nèi)容和研究成果如下: (1)根據(jù)聲學(xué)理論方程,推導(dǎo)在超聲波垂直入射的條件下的聲懸浮力理論方程,反射系數(shù)和透射系數(shù),研究材料的超聲傳導(dǎo)特性,加工材料和微粒材料的選擇依據(jù),固體內(nèi)通道腔內(nèi)駐波場(chǎng)的原理,并根據(jù)理論推導(dǎo)微粒穩(wěn)定懸浮的位置,建立聲懸浮操控系統(tǒng)的理論公式; (2)根據(jù)建立的理論公式,設(shè)計(jì)選型超聲裝置,運(yùn)動(dòng)裝置和數(shù)控裝置,材料選擇及加工,設(shè)計(jì)構(gòu)建一維、二維和三維聲懸浮平臺(tái),研究單軸、雙軸以及三軸聲懸浮裝置的懸浮性能,優(yōu)化設(shè)計(jì)及構(gòu)建了固體內(nèi)聲懸浮微粒操控系統(tǒng); (3)根據(jù)構(gòu)建的聲懸浮操控平臺(tái),對(duì)一維、二維和三維的情況下展開微粒可操控性試驗(yàn)研究,對(duì)比各種情況下聲懸浮的試驗(yàn)效果,并初步分析研究固體內(nèi)聲懸浮微粒的可懸浮性、穩(wěn)定性和可操控性,設(shè)計(jì)聲懸浮操控的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù),得到操控懸浮微粒的重要結(jié)論。
【圖文】:

駐波


杭州電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文的現(xiàn)狀象為 Kundt 此人早在 1886 年發(fā)現(xiàn)[4],這之后有 King,Gorkov 展了全面的闡述[5]。并且早在八十年代就已經(jīng)研制出了單軸聲懸陶瓷將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械振動(dòng)能[7],再經(jīng)由變幅桿將振動(dòng)能幅放端為一個(gè)超聲波發(fā)射器,下端為一定形狀的反射端界面[9]。超經(jīng)過(guò)反射端返回[10],兩列波在兩端之間形成超聲駐波場(chǎng),將微一平衡位置[12],如圖 1.1 所示。但是,早期的這種裝置有兩個(gè)弱[13],僅僅可以懸浮起微粒材料或塑料小球或密度 2.7g/cm3鋁15]。

聲懸浮,三軸


歐洲和美國(guó)宇航局為解決此類缺點(diǎn),研制了三軸聲懸浮裝置[16],如圖1.2 所示,在懸浮物體的六個(gè)面上分別放置了三組發(fā)射端和反射端,提高懸浮物體的穩(wěn)定性[17]。我國(guó)對(duì)聲懸浮的研究起步較晚,于 1992 年才開始開展研究工作[18]。中科院在創(chuàng)建空間材料科學(xué)試驗(yàn)室之前就做過(guò)聲懸浮的理論研究[19]。2001 年,西北工業(yè)大學(xué)通過(guò)進(jìn)一步提高單軸聲懸浮力及穩(wěn)定性[20],率先懸浮起密度為 18.9g/cm3的鎢餅,而當(dāng)時(shí)國(guó)外只懸浮起密度為11.34g/cm3鉛球,如圖 1.3 所示。2012 年吉林大學(xué)研究了基于超聲波近場(chǎng)聲懸浮的靶丸類微球驅(qū)動(dòng)[21]、浙江工業(yè)大學(xué)對(duì)聲懸浮拋光磨粒流場(chǎng)開展了一些列的分析及試驗(yàn)。浙江大學(xué)楊克己教授、梅德慶教授、范宗尉博士后發(fā)展了 L.V.King 的圓球超聲輻射力理論,建立非規(guī)則對(duì)圖 1.1 駐波懸浮圖 1.2 三軸聲懸浮
【學(xué)位授予單位】:杭州電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】:碩士
【學(xué)位授予年份】:2014
【分類號(hào)】:TB559

【參考文獻(xiàn)】

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7 凌宏;超聲懸浮夾具的基礎(chǔ)性研究[D];大連理工大學(xué);2009年

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9 賈兵;超聲離合器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[D];南京航空航天大學(xué);2009年

10 羅雅靜;單軸式環(huán)形夾持力超聲懸浮裝置的研究[D];陜西師范大學(xué);2010年



本文編號(hào):2535404

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