專利名稱：單軸式聲懸浮裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種單軸式聲懸浮裝置。
背景技術(shù)：
參照圖3，文獻(xiàn)“聲懸浮的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值仿真模擬分析，解文軍，曹崇德，魏炳波，《物理學(xué)報(bào)》，1999，48(2)250～256)”公開了一種單軸式聲懸浮裝置。該裝置包括諧振腔1和聲源3，其特點(diǎn)是諧振腔1是直圓柱形并下端是開口，在直圓柱形諧振腔1內(nèi)，聲源3發(fā)出的超聲波在發(fā)射端和反射端之間反復(fù)疊加后形成駐波，在聲壓的波節(jié)處，聲輻射力具有回復(fù)力的特征，形成懸浮物體的勢阱。因此，物體6能夠穩(wěn)定地懸浮于聲壓波節(jié)處。
由于直圓柱形諧振腔1是等截面諧振腔，根據(jù)非線性聲學(xué)理論，當(dāng)聲源3強(qiáng)度增加到一定程度后，由于非線性聲學(xué)效應(yīng)，在直圓柱形諧振腔1中除了產(chǎn)生聲輻射力和基頻駐波外，還將產(chǎn)生頻率較高的高階駐波，并且能量迅速從聲輻射力和基頻駐波傳遞到高階駐波。隨著高階駐波強(qiáng)度的增加，波形將發(fā)生畸變，使原波形變?yōu)殇忼X形聲沖擊波。介質(zhì)對于高階駐波吸收能力遠(yuǎn)大于基頻駐波，使得聲沖擊波在諧振腔內(nèi)迅速衰減。隨著激勵(lì)源強(qiáng)度的增加，諧振腔內(nèi)的聲壓將趨向于飽和，駐波波形的畸變和聲飽和現(xiàn)象會限制被懸浮物體的重量、降低了懸浮穩(wěn)定性。而且現(xiàn)有的聲懸浮裝置產(chǎn)生的都是超聲波，因此駐波波長很短，被懸浮物體的尺寸小。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)被懸浮物體重量小、被懸浮物體尺寸小、懸浮穩(wěn)定性差的不足，本發(fā)明提供一種單軸式聲懸浮裝置，通過設(shè)計(jì)不同形狀、不等截面的諧振腔，可以增大被懸浮物體的尺寸，提高所懸浮物體重量和懸浮穩(wěn)定性。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案方案一一種單軸式聲懸浮裝置，包括諧振腔和聲源，其特點(diǎn)是還包括下密封蓋，所述的諧振腔是不等截面，其大端固連有下密封蓋，下密封蓋的外徑與諧振腔的大端處凸緣外徑等大。
方案二一種單軸式聲懸浮裝置，包括諧振腔，其特點(diǎn)是還包括下密封蓋和上密封蓋，所述的諧振腔是不等截面，其大端固連有下密封蓋，下密封蓋的外徑與諧振腔的大端處凸緣外徑等大；其小端固連有上密封蓋，上密封蓋的外徑與諧振腔的小端處凸緣外徑等大；線性馬達(dá)固連于下密封蓋下方。
本發(fā)明的有益效果是由于設(shè)計(jì)了不同形狀、不等截面的諧振腔，在諧振腔小端的流通截面縮小，而諧振腔大端的流通面積增大，非線性效應(yīng)也會大大下降，直至消除。在線性馬達(dá)激勵(lì)下的所有能量都能夠保存在基頻的駐波和聲輻射力中，防止了聲飽和現(xiàn)象的出現(xiàn)，從而能提高被懸浮物體重量；同時(shí)，在不等截面諧振腔內(nèi)，沿軸向和縱向的聲壓都有所變化。因此存在聲壓梯度，能夠在駐波波節(jié)處產(chǎn)生聲勢阱，提高聲懸浮的穩(wěn)定性；另外由于線性馬達(dá)的激勵(lì)頻率與諧振腔基頻相同，所產(chǎn)生的駐波波長遠(yuǎn)大于現(xiàn)有單軸式聲懸浮裝置使用的超聲波波長，增大了被懸浮物體尺寸。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作詳細(xì)說明。


圖1是本發(fā)明單軸式聲懸浮裝置實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明單軸式聲懸浮裝置實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是背景技術(shù)單軸式聲懸浮裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是圖2所示實(shí)施例諧振腔小端處的駐波聲壓與空氣壓強(qiáng)之比的波形圖。
圖5是背景技術(shù)單軸式聲懸浮裝置諧振腔內(nèi)駐波聲壓與空氣壓強(qiáng)之比的波形圖，激勵(lì)方式同實(shí)施例2。
圖6是本發(fā)明單軸式聲懸浮裝置錐形諧振腔各階駐波聲壓與空氣壓強(qiáng)之比沿諧振腔軸向分布圖。其中(a)為基頻駐波；(b)為二階駐波；(c)為三階駐波；(d)為駐波直流項(xiàng)，即聲輻射力。
圖7是本發(fā)明單軸式聲懸浮裝置諧振腔截面變化示意圖，其中(e)為圓形；(f)為橢圓形；(g)為長方形；(h)為三角形。
圖8是本發(fā)明單軸式聲懸浮裝置諧振腔幾何形狀變化示意圖，其中(i)為錐形；(j)為正弦曲線形；(k)為喇叭形。
圖中，1-諧振腔，2-線性馬達(dá)，3-聲源，4-控制器，5-溫度探頭，6-物體，7-下密封蓋，8-駐波，9-上密封蓋。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1參照圖1，本實(shí)施例包括諧振腔1，線性馬達(dá)2，聲源3，控制器4，溫度探頭5和下密封蓋7，諧振腔1的幾何形狀為喇叭形，截面為圓形，諧振腔1的大端固連有下密封蓋7，下密封蓋7的外徑與諧振腔1的大端處凸緣外徑等大。聲源3位于諧振腔1的小端入口處，并與線性馬達(dá)2固連。諧振腔1小端側(cè)面開有小孔，置于物體6附近的溫度探頭5上的導(dǎo)線通過小孔與線性馬達(dá)控制器4電連接，控制器4的另一端與線性馬達(dá)電連接。
線性馬達(dá)2在諧振腔1的小端驅(qū)動(dòng)一活塞式聲源3做簡諧振動(dòng)。當(dāng)活塞的簡諧振動(dòng)頻率等于諧振腔的基頻時(shí)，諧振腔內(nèi)將產(chǎn)生無沖擊強(qiáng)聲駐波8。在聲輻射力作用下，物體6將懸浮于駐波波節(jié)處。從諧振腔的小端到大端，駐波的幅值和聲輻射力呈遞減趨勢(參見圖4)，因此越重的物體懸浮位置越接近小端。工作一段時(shí)間后，由于空氣粘滯效應(yīng)和諧振腔內(nèi)壁的摩擦作用，諧振腔內(nèi)的空氣溫度將變化，最終會改變諧振腔的基頻，因此在諧振腔1的側(cè)方開一小孔，通過導(dǎo)線引入溫度探頭5。將所測得溫度傳遞到線性馬達(dá)控制器4中?？刂破鞲鶕?jù)溫度的變化，調(diào)整線性馬達(dá)2的激勵(lì)頻率始終等于諧振腔1的基頻。
實(shí)施例2參照圖2，本實(shí)施例包括諧振腔1，線性馬達(dá)2，控制器4，溫度探頭5、下密封蓋7和上密封蓋9，諧振腔1的幾何形狀為錐形，截面為圓形，諧振腔1的大端固連有下密封蓋7，下密封蓋7的外沿與諧振腔1的大端等大。諧振腔1的小端固連有上密封蓋9，上密封蓋9的外沿與諧振腔1的小端等大。上密封蓋9上開有小孔，溫度探頭5上的導(dǎo)線通過小孔與線性馬達(dá)控制器4電連接，控制器4的另一端與線性馬達(dá)電連接。溫度探頭5置于物體附近。線性馬達(dá)2固連于密封蓋7下方，驅(qū)動(dòng)錐形諧振腔整體振動(dòng)。這種驅(qū)動(dòng)方式能夠防止實(shí)施例1中靜止諧振腔對聲輻射力的衰減。可進(jìn)一步提高聲輻射力，增大被懸浮物體的重量。線性馬達(dá)2可以固連于密封蓋7下方的任意位置。
錐形諧振腔的材料為7075T6鋁合金，厚度為3.6mm。小端直徑為5.6mm，大端直徑為102.32mm。諧振腔內(nèi)部充滿空氣，空氣壓強(qiáng)為P0＝1×105Pa。激勵(lì)方式為線性馬達(dá)2驅(qū)動(dòng)諧振腔1整體振動(dòng)。線性馬達(dá)2激勵(lì)的加速度幅值為5×10-4m/s2，激勵(lì)頻率為諧振腔基頻1200Hz。對該諧振腔內(nèi)聲場進(jìn)行數(shù)值模擬。聲輻射壓力及基頻駐波沿諧振腔軸向發(fā)生變化?？梢栽诓ü?jié)產(chǎn)生聲勢阱。從小端的聲壓波形(參見圖2)可見，產(chǎn)生的是一種無沖擊強(qiáng)聲駐波。在相同激勵(lì)方式下，計(jì)算出圓柱形諧振腔內(nèi)的聲壓波形(參見圖3)，可以看出聲壓幅值較小，并且波形發(fā)生了畸變，形成了聲沖擊波。在小端各階駐波與空氣壓強(qiáng)的比值分別為P1/P0＝0.99、P2/P0＝0.48、P3/P0＝0.26。有效抑制了聲能量從基頻向高頻傳遞(參見圖4)。諧振腔小端的聲輻射力Pdc達(dá)到了空氣壓強(qiáng)的0.18倍，即179dB。超過現(xiàn)有聲懸浮裝置中懸浮密度為18.9g/cm3鎢所需的172dB聲輻射力。若進(jìn)一步增大線性馬達(dá)的加速度幅值，或?qū)χC振腔幾何形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。還可以提高諧振腔內(nèi)的聲輻射壓力。
另外，本發(fā)明還將諧振腔設(shè)計(jì)為錐形、正弦曲線形、喇叭形，諧振腔截面圓形、橢圓形、長方形、三角形不同組合進(jìn)行了試驗(yàn)，都取得了良好的效果。
權(quán)利要求
1.一種單軸式聲懸浮裝置，包括諧振腔和聲源，其特征在于還包括下密封蓋，所述的諧振腔是不等截面，其大端固連有下密封蓋，下密封蓋的外徑與諧振腔的大端處凸緣外徑等大。
2.一種單軸式聲懸浮裝置，包括諧振腔，其特征在于還包括下密封蓋和上密封蓋，所述的諧振腔是不等截面，其大端固連有下密封蓋，下密封蓋的外徑與諧振腔的大端處凸緣外徑等大；其小端固連有上密封蓋，上密封蓋的外徑與諧振腔的小端處凸緣外徑等大；線性馬達(dá)固連于下密封蓋下方。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的單軸式聲懸浮裝置，其特征在于所述的線性馬達(dá)安裝位置為下密封蓋下方任意位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的單軸式聲懸浮裝置，其特征在于還包括控制器，控制器的一端與線性馬達(dá)電連接，另一端與設(shè)置在物體附近的溫度探頭電連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的單軸式聲懸浮裝置，其特征在于所述的諧振腔的幾何形狀是錐形、正弦曲線形或喇叭形。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的單軸式聲懸浮裝置，其特征在于所述的諧振腔的截面是圓形、橢圓形、長方形或三角形。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種單軸式聲懸浮裝置，方案一包括諧振腔和聲源，其特點(diǎn)是還包括下密封蓋，所述的諧振腔是不等截面，其大端固連有下密封蓋，下密封蓋的外徑與諧振腔的大端處凸緣外徑等大。方案二包括諧振腔，其特征在于還包括下密封蓋和上密封蓋，所述的諧振腔是不等截面，其大端固連有下密封蓋，下密封蓋的外徑與諧振腔的大端處凸緣外徑等大；其小端固連有上密封蓋，上密封蓋的外徑與諧振腔的小端處凸緣外徑等大；線性馬達(dá)固連于下密封蓋下方。由于設(shè)計(jì)了不同形狀、不等截面的諧振腔，使聲壓沿軸向和縱向都有所變化，防止了聲飽和現(xiàn)象的出現(xiàn)，在提高聲懸浮的穩(wěn)定性的同時(shí)，提高了被懸浮物體重量，增大了被懸浮物體尺寸。
文檔編號G01N37/00GK101093190SQ20071001799
公開日2007年12月26日 申請日期2007年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月5日
發(fā)明者寧方立, 韋娟 申請人:西北工業(yè)大學(xué)