超声驻波悬浮传输装置的研制与实验（应用型）

摘要

随着物理、化学、生物、制药、材料以及力学等学科的迅速发展，对样品的处理要求越来越高，传统的样品处理方法会使样品与容器器壁接触，而容器器壁会对样品产生各种干扰，如：容器器壁会对被分析样品产生污染，其吸附性会影响本来就微量的待测物的成分检测，并且会对采用光学手段进行检测的检测信号产生干扰。超声驻波悬浮技术可以实现被分析样品的无容器处理，因而可以避免因容器器壁在样品处理过程中产生的各种缺陷，超声驻波悬浮传输技术还可以实现被检测样品的非接触式传输、融合、提取等。超声换能器以及换能器阵是实现驻波悬浮传输的装置。
　　本文首先分析了超声驻波声场中的波动方程，以此方程为基础得出了平面驻波声场中声压的分布以及媒质质点速度的分布，结合时间平均势的理论，获得了平面驻波声场中被悬浮小球受到的声辐射力，并根据悬浮小球受到的重力与声辐射力的关系得到了悬浮小球的理论稳定悬浮位置。其次，利用得出的声辐射力的表达式，理论计算出本文对换能器辐射端振幅的设计要求。本文要求设计的单轴式换能器能悬浮起钢球；换能器阵能实现泡沫小球的悬浮传输，因此要求换能器阵元能够悬浮起泡沫小球；根据此要求，得出此时要求单轴式换能器辐射端的振幅为66.08μm，换能器阵元的辐射端振幅为7.5μm；以换能器辐射端的振幅为设计目标，根据一维变截面杆的纵振方程，采用解析法对本文的单轴换能器以及换能器阵进行设计，并对设计的换能器进行模态分析。再次由于换能器阵元之间存在频率差异，为了减小频率差对传输的影响，对换能器阵元采用柔性支撑的方式，本文为所设计的悬浮传输器设计了一套谐振腔长度调节精度为微米级的支撑装置；利用本文设计的悬浮传输装置，对所设计的换能器阵元、换能器阵和单轴式换能器进行单层及多层的悬浮、传输能力的实验验证；最后采用单轴级联式换能器验证了水滴悬浮时声辐射力对水分子吸附力的影响。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 国内外研究现状

1.3 本课题主要研究内容

第2章超声驻波悬浮原理

2.1 理想媒质中的声波动方程

2.2 基于波动方程的驻波声场声参数描述

2.3 被悬浮物理论稳定悬浮位置分析

2.4 本章小结

第3章 超声驻波悬浮传输器的研制

3.1 单轴换能器的研制

3.2 换能器阵式悬浮传输换能器阵的研制

3.3 超声换能器的模态分析

3.4 超声换能器的性能参数测定

3.5 本章小结

第4章超声驻波悬浮传输的实验

4.1 超声驻波悬浮传输实验平台的设计与搭建

4.2 超声换能器阵元的驻波悬浮能力

4.3 超声换能器阵的驻波悬浮传输能力

4.4 级联式超声换能器的悬浮能力

4.5 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢