超声驻波悬浮及材料无容器处理研究

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本文在深入分析压电超声换能器及超声驻波声场的基础上,设计了超声驻波悬浮装置,并对各种材料进行了悬浮实验。在此基础上,本文用激光加热的方式对超声驻波悬浮的铅锡焊丝进行了非接触加热和凝固,同时构建了超声驻波/高频电磁混合悬浮实验装置,用超声驻波悬浮的方法来悬浮支撑经过高频电磁悬浮熔炼后的熔融态金属。简要阐述了声悬浮技术的发展,论述了声悬浮技术的研究现状;介绍了高频电磁悬浮技术,包括电磁悬浮的原理和应用以及电磁悬浮样品冷却凝固时存在的问题,在此基础上,提出了本文的研究内容—设计聚焦式超声驻波悬浮装置,利用超声驻波悬浮的方式来悬浮支撑经过高频电磁悬浮熔炼后的熔融态金属,来解决冷却凝固的问题。并提出了本文的主要研究内容。从压电效应入手,简单介绍了压电材料、压电方程和压电陶瓷的各种性能参数,为设计压电换能器打下基础。分析了理想媒质中声波传播时的波动方程,有助于我们理解超声驻波声场,在此基础上,推导了超声驻波声悬浮力,指出声悬浮力在纵向坐标方向上是按正弦规律变化的,并与辐射端振幅、声压、媒质密度等参数有关系。理论预测了超声驻波悬浮的稳定悬浮位置。介绍了压电超声换能器的相关理论知识,根据实验的需要我们选用PZT-8作为超声驻波换能器的压电材料,同时选择了换能器前后盖板的材料。在压电超声换能器结构设计理论的基础上,对超声驻波悬浮用压电换能器的尺寸进行了详细设计,并设计和制作了两级变幅杆。为了增大超声辐射的面积,将变幅杆的辐射端的直径进行了放大,并用ANSYS软件对其振型进行了模态分析,结果表明实际振动频率与设计频率的误差为3.35%,可以满足实验的要求。在ANSYS模态分析中,还得到了压电换能器的位移变化图和位移矢量图,可以看出在变幅杆辐射端的振速是最大的,换能器的能量大部分从前端辐射出去。针对辐射端与反射端均为凹球面形状的超声换能器进行了优化分析,在ANSYS软件中绘出压电换能器的模型,然后仿真得到超声驻波场的声压,比较不同凹球面直径下的声压值,得到了驻波声场声压值最大时的凹球面直径。通过ANSYS软件和Matlab软件联合仿真,根据时间平均势的概念,得到了驻波场中相对时间平均势的分布图,理论预测了样品在驻波场中的稳定悬浮位置。通过相对时间平均势的分布图,可以预见回复力的存在。制作了超声驻波悬浮装置,并用精密电子秤对超声驻波辐射力进行了测试,得到了辐射力与辐射端和反射端间距之间的关系;对不同的材料分别在不同的间距下进行了超声驻波悬浮,样品的悬浮位置同理论预测的基本一致,在物体的悬浮实验中,还观测到了不同的悬浮位置的悬浮能力是不一样的;用激光加热的方式对超声驻波悬浮的铅锡焊丝进行了非接触熔炼;制作了高频感应器,5mm的钢球可以在其中进行稳定的悬浮;构造了超声驻波/高频电磁混合悬浮熔炼实验装置,并用该装置对钢球进行了无容器非接触加热和凝固,说明用超声驻波悬浮方式可以用来悬浮支撑经过高频电磁悬浮熔炼后的熔融态金属,达到完全彻底对金属进行非接触熔炼的目的。对本文所作的研究工作进行了全面的总结,结合实验结论,给出了本文的研究结论;最后针对本文所制作的超声驻波/高频电磁混合悬浮装置存在的问题,提出了建议和设想,为后续的研究工作做一个铺垫。
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