CN110356852B - 一种可用于超声长距离悬浮传输装置及支撑距离确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超声驻波/行波悬浮传输领域，更具体的说是一种可用于超声长距离悬浮传输装置及支撑距离确定方法，包括换能器、弹性体振动平板、激光测振仪控制箱、超声电源和激光头，通过两个换能器与作为辐射面的弹性体振动平板相连，在激励信号的驱动下两个换能器带动弹性体振动平板产生振动，从而在弹性体振动平板上与两个换能器的固定连接处之间的部分产生混合驻波成分和行波成分的振动场，通过调节两个换能器振动相位差，可以实现弹性体振动平板上振动波节点的移动和振幅的改变；通过激光测振仪控制箱和激光头可以测量弹性体振动平板上的振幅随超声电源驱动两路换能器的相位差之间的关系曲线,实现传输装置的两个支撑点间支撑距离的确定。

Description

一种可用于超声长距离悬浮传输装置及支撑距离确定方法

技术领域

本发明涉及超声驻波/行波悬浮传输领域，更具体的说是一种可用于超声长距离悬浮传输装置及支撑距离确定方法。

背景技术

超声悬浮是声场的一种非线性现象，借助高强度声场中的声辐射力将物体悬浮于势阱点处。超声悬浮传输是在超声悬浮基础上发展出来的一种非接触传输技术，其中，驻波传输通过主动调节激励参数，改变声场分布使势阱点在声场中的定向移动，从而在声辐射力的作用下实现悬浮物的传输。然而，行波传输通过固体-流体-固体耦合作用，在弹性体振动平板和被悬浮物体之间的气膜形成挤压气膜，在传输平板上形成行波，表面气膜由于速度梯度产生的粘性力驱动悬浮物沿着行波方向形成传输；总之，由于超声悬浮传输技术具有微重力、无容器的环境特点，并且能够实现对悬浮物的非接触操控，可以很好的模拟空间实验条件，因此，为研究提供了一个稳定、均匀、无污染的理想环境；

为了实现超声悬浮长距离传输，定义连接两个超声换能器的振动平板为弹性体，这个弹性体两个支撑点间距离、支撑点到弹性体端部的距离都应和实际波长存在严格的比例关系，才能实现驻波或行波悬浮传输。但是，由于弹性体与换能器的紧固方式为螺栓连接，很难确定两个支撑点间距离、支撑点到弹性体端部距离、以及两者与理论波长的关系。从而无法实现悬浮传输。因此，对弹性体两个支撑点间实际距离、支撑点到弹性体端部的实际距离、实际波长的测量是实现超声悬浮长距离传输的必要条件。

发明内容

本发明的目的是提供一种可用于超声长距离悬浮传输装置及支撑距离确定方法，可以实现浮物体超声长距离悬浮传输，还说明了驻波/行波悬浮传输应满足的条件，包括两个支撑点间距离、支撑点到弹性体端部的实际距离。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种可用于超声长距离悬浮传输装置，包括换能器、弹性体振动平板、激光测振仪控制箱、超声电源和激光头，换能器左右对称设置有两个，弹性体振动平板的左右两端分别固定连接在两个换能器的上端，换能器在超声电源的驱动下带动弹性体振动平板产生振动，在弹性体振动平板上与两个换能器的固定连接处之间的部分产生含有行波成分的二维驻波声场，激光测振仪控制箱和激光头可以测量弹性体振动平板上的振幅随超声电源驱动两路换能器的相位差之间的关系曲线。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种可用于超声长距离悬浮传输装置，所述超声电源和两个换能器连接，超声电源调节两个换能器振动相位差控制弹性体振动平板上振幅的改变，使得弹性体振动平板上形成含有行波成分的二维驻波声场。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种可用于超声长距离悬浮传输装置，所述超声电源和两个换能器连接，超声电源驱动其中一个换能器振动，另一个换能器吸收震动控制弹性体振动平板上振幅的改变，使得弹性体振动平板上形成含有行波成分的二维驻波声场。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种可用于超声长距离悬浮传输装置，所述两个换能器和一个弹性体振动平板形成一个传输装置，多个传输装置可以相互首尾拼接。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种可用于超声长距离悬浮传输装置，所述弹性体振动平板上形成的含有行波成分的二维驻波声场的振幅变化与弹性体振动平板的两个支撑点间距离有关，弹性体振动平板换能器连接支撑点到弹性体振动平板端部的距离应与弹性体振动平板上的波长满足比例关系。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种可用于超声长距离悬浮传输装置，所述弹性体振动波长的测量装置还包括底座、换能器横板、角铁竖架、角铁横架和压板，其特征在于：所述角铁竖架设置有四个，四个角铁竖架的下端分别固定连接在底座的四个角上，角铁横架前后对称设置有两个，两个角铁横架的左右两端分别固定连接在四个角铁竖架的中端，换能器横板的前后两端分别固定连接在两个角铁横架上，压板左右对称设置有两个，两个压板分别固定连接在换能器横板的左右两端，两个压板内圆的下端面分别与两个换能器接触，两个压板外圆的下端面均与换能器横板接触。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种可用于超声长距离悬浮传输装置，所述换能器横板上设置有换能器安装口、换能器支撑口和换能器定位面，换能器安装口和换能器支撑口均左右对称设置有两个，两个换能器安装口和换能器支撑口分别设置在换能器横板的左右两端，两个换能器安装口和两个换能器支撑口分别同轴设置，两个换能器支撑口的左右两端均设置有换能器定位面。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种可用于超声长距离悬浮传输装置，所述换能器包括一级变幅杆Ⅰ、一级变幅杆Ⅱ、变幅杆定位面、一级变幅杆Ⅲ、二级变幅杆、绝缘片、A电极、B电级、压电陶瓷和后盖板，一级变幅杆Ⅰ的上端固定连接有一级变幅杆Ⅱ，一级变幅杆Ⅱ的左右两侧均设置有变幅杆定位面，一级变幅杆Ⅲ的下端固定连接在一级变幅杆Ⅱ上，二级变幅杆的下端固定连接在一级变幅杆Ⅲ上，绝缘片固定连接在一级变幅杆Ⅰ的下端，绝缘片的下端固定连接有两个A电极和两个B电级，两个A电极和两个B电级相互穿插设置，两个A电极和两个B电级的下端固定连接有压电陶瓷，压电陶瓷的下端固定连接有后盖板，一级变幅杆Ⅱ左右两侧上设置的变幅杆定位面分别与对应的换能器定位面接触，两个一级变幅杆Ⅰ分别间隙配合在两个换能器安装口内，两个一级变幅杆Ⅱ的下端面分别与对应的换能器支撑口接触，两个一级变幅杆Ⅱ分别间隙配合在两个换能器支撑口内，两个A电极和两个B电级均接在超声电源上，所述换能器为1.5倍换能器，换能器的谐振频率为20KHz，所述一级变幅杆Ⅰ、一级变幅杆Ⅱ和一级变幅杆Ⅲ均为圆柱形，一级变幅杆Ⅰ、一级变幅杆Ⅱ和一级变幅杆Ⅲ同轴设置，二级变幅杆的上下两端面均为矩形，上下两端面的尺寸不同，二级变幅杆的侧面形状为指数函数形式，弹性体振动平板的左右两端分别通过细牙螺栓固定连接在二级变幅杆的上端。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种可用于超声长距离悬浮传输装置，所述压板上设置有压板定位孔和压板安装槽，压板定位孔和压板安装槽连通，两个压板分别通过两个压板安装槽安装在两个一级变幅杆Ⅲ上，两个压板分别通过两个压板定位孔间隙配合在两个一级变幅杆Ⅲ上，两个压板内圆的下端面与一级变幅杆Ⅱ接触。

一种可用于超声长距离悬浮传输装置的支撑距离确定方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：超声电源调节两个换能器振动相位差控制弹性体振动平板上振幅的改变，使得弹性体振动平板上形成驻波声场；

步骤二：激光测振仪控制箱和激光头测量弹性体振动平板上的波长

步骤三：激光测振仪控制箱和激光头测量弹性体振动平板上的振幅随超声电源驱动两路换能器的相位差之间的关系曲线；

步骤四：通过关系曲线和MATLAB生成的多组长度的振幅-相位差函数进行比对，并调整弹性体振动平板两个与两路换能器连接的支撑点间距离，使得弹性体振动平板上的振动振幅满足悬浮传输条件；

步骤五：根据步骤二测量的弹性体振动平板上的波长，调整换能器与弹性体振动平板连接的支撑点到弹性体振动平板端部的距离，结合步骤四两个支撑点间距离，确定弹性体振动平板的支撑距离。

一种可用于超声长距离悬浮传输装置的支撑距离确定方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：超声电源调节两个换能器振动相位差控制弹性体振动平板上振幅的改变，使得弹性体振动平板上形成含有行波成分的二维驻波声场对被悬浮物体进行运输；

步骤二：激光测振仪控制箱和激光头测量弹性体振动平板上的波长；

步骤三：激光测振仪控制箱和激光头测量弹性体振动平板上的振幅随超声电源驱动两路换能器的相位差之间的关系曲线；

步骤四：根据步骤二测量的弹性体振动平板上的波长，调整换能器与弹性体振动平板连接的支撑点到弹性体振动平板端部的距离，即确定弹性体振动平板的支撑距离。

本发明一种可用于超声长距离悬浮传输装置及支撑距离确定方法的有益效果为：

本发明一种可用于超声长距离悬浮传输装置及支撑距离确定方法，可以通过两个换能器与作为辐射面的弹性体振动平板相连，在激励信号的驱动下两个换能器带动弹性体振动平板产生振动，从而在弹性体振动平板上与两个换能器的固定连接处之间的部分产生混合驻波成分和行波成分的振动场，通过调节两个换能器振动相位差，可以实现弹性体振动平板上振动波节点的移动和振幅的改变；通过激光测振仪可以对弹性体振动平板内的振动的波长进行测量，波长的确定是装置各支撑距离计算的前提；调节振动相位差引起驻波节点移动并传输被悬浮物；或利用行波沿行波移动方向传输被悬浮物；调节振动相位差引起振幅变化并影响物体悬浮的稳定性，振幅随振动相位差的变化与两个支撑点间距离和波长的比例关系有关，弹性体两个支撑点间距离与波长满足特定比例关系时，振动场的振幅随振动相位差的变化范围小，悬浮更加稳定；支撑点到弹性体端部部分上的振动波对弹性体两个支撑点间部分由影响，支撑点到弹性体端部的长度与波长满足特定比例关系时，支撑点到弹性体端部的振动对弹性体两支撑点间振动影响最小，降低对物体悬浮传输的影响；通过激光测振仪控制箱和激光头可以测量弹性体振动平板上的振幅随超声电源驱动两路换能器的相位差之间的关系曲线,实现传输装置的两个支撑点间支撑距离的确定。

附图说明

下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细的说明。

在本发明的描述中,需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”和“竖着”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接可以是直接连接，亦可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个部件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明的描述中,除非另有说明，“多个”、“多组”、“多根”的含义是两个或两个以上。

图1是本发明的弹性体振动波长的测量装置整体结构示意图；

图2是本发明的固定换能器横板结构示意图；

图3是本发明的换能器结构示意图；

图4是本发明的换能器剖视图结构示意图；

图5是本发明的压板结构示意图；

图6是本发明的二维驻波声场悬浮物体示意图；

图7是本发明的行波声场悬浮传输物体示意图；

图8是本发明的振动平板上质点最大振速随相位变化曲线图一；

图9是本发明的振动平板上质点最大振速随相位变化曲线图二；

图10是本发明的振动平板上质点最大振速随相位变化曲线图三；

图11是本发明的振动平板上质点最大振速随相位变化曲线图四；

图12是本发明的振动平板上质点最大振速随相位变化曲线图五；

图13是本发明的实验得到的振动平板上质点最大振速驻波振幅随相位差变化曲线图。

图中：底座1；角铁竖架2；角铁横架3；固定换能器横板4；换能器安装口4-1；换能器支撑口4-2；换能器定位面4-3；换能器5；一级变幅杆Ⅰ5-1；一级变幅杆Ⅱ5-2；换能器定位面5-3；一级变幅杆Ⅲ5-4；二级变幅杆5-5；绝缘片5-6；A电极5-7；B电级5-8；压电陶瓷5-9；后盖板5-10；压板6；压板定位孔6-1；压板安装槽6-2；弹性体振动平板7；激光测振仪控制箱8；超声电源9；激光头10；二维驻波声场11；被悬浮物体12。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

具体实施方式一：

下面结合图1-13说明本实施方式，一种可用于超声长距离悬浮传输装置，包括换能器5、弹性体振动平板7、激光测振仪控制箱8、超声电源9和激光头10，换能器5左右对称设置有两个，弹性体振动平板7的左右两端分别固定连接在两个换能器5的上端，换能器5在超声电源9的驱动下带动弹性体振动平板7产生振动，在弹性体振动平板7上与两个换能器5的固定连接处之间的部分产生含有行波成分的二维驻波声场11，激光测振仪控制箱8和激光头10可以测量弹性体振动平板7上的振幅随超声电源9驱动两路换能器5的相位差之间的关系曲线；通过调节两个换能器5振动相位差由0到2π，可以实现弹性体振动平板7上振幅的改变；通过激光测振仪控制箱8和激光头10可以测量弹性体振动平板7上的振幅随超声电源9驱动两路换能器5的相位差之间的关系曲线，将关系曲线与MATLAB生成的多组长度的振幅-相位差函数进行比对，实现弹性体振动平板7的支撑位置的确认，本装置中实现了弹性体振动平板7与换能器5的分离，弹性体振动平板7与换能器5之间通过细牙螺栓相连，弹性体振动平板7的长度可以随意调节；弹性体振动平板7可以是铝板。

具体实施方式二：

下面结合图1-13说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述超声电源9和两个换能器5连接，超声电源9调节两个换能器5振动相位差控制弹性体振动平板7上振幅的改变，使得弹性体振动平板7上形成含有行波成分的二维驻波声场11；如图6所示；超声电源9输出的两路信号的频率不小于20KHz，电压为45V；超声电源9可以根据市场现有的进行选择，最低满足以下标准：超声电源8输能够输出两路频率大于20KHz的方波信号，两路信号的频率可调，且具有很高的调节精度，两路信号的相位差可以改变，两路信号的幅值独立可调，且输出功率足够驱动换能器5，具有负载阻抗匹配电路；超声电源9总体结构主要四个模块组成分别是：信号发生模块、放大比较模块、功率放大模块和阻抗匹配模块，信号发生模块产生两路频率相位差可调的毫伏级正弦信号，作为初始信号；初始信号经过放大比较模块之后变成5V左右方波信号，作为功率放大模块的控制信号；功率放大模块对该控制信号放大，产生具有足够功率的换能器驱动信号，驱动信号的功率可以通过电压可调电源调节；通过阻抗匹配模块使电源的阻抗与负载近似相等，提高电源的转换效率。

具体实施方式三：

下面结合图1-13说明本实施方式，本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，所述两个换能器5和一个弹性体振动平板7形成一个传输装置，多个传输装置可以相互首尾拼接；通过将多组传输装置的弹性体振动平板7首尾相连，通过多组换能器5的激励或激励-吸震可以实现无限长距离传输。

具体实施方式四：

下面结合图1-13说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述弹性体振动平板7上形成的含有行波成分的二维驻波声场11的振幅变化与弹性体振动平板7的两个支撑点间距离有关，弹性体振动平板7与换能器5连接支撑点到弹性体振动平板7端部的距离应与弹性体振动平板7上的波长满足比例关系；所述弹性体振动平板7支撑点之间形成的驻波声场11会受到与换能器5连接的支撑点与弹性体振动平板7端部之间部分振动的影响，为了减少这部分影响，弹性体振动平板7支撑点到弹性体振动平板7端部的距离应与弹性体振动平板7上的波长满足严格比例关系。

具体实施方式五：

下面结合图1-13说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述弹性体振动波长的测量装置还包括底座1、换能器横板4、角铁竖架2、角铁横架3和压板6，其特征在于：所述角铁竖架2设置有四个，四个角铁竖架2的下端分别固定连接在底座1的四个角上，角铁横架3前后对称设置有两个，两个角铁横架3的左右两端分别固定连接在四个角铁竖架2的中端，换能器横板4的前后两端分别固定连接在两个角铁横架3上，压板6左右对称设置有两个，两个压板6分别固定连接在换能器横板4的左右两端，两个压板6内圆的下端面分别与两个换能器5接触，两个压板6外圆的下端面均与换能器横板4接触。

具体实施方式六：

下面结合图1-13说明本实施方式，本实施方式对实施方式五作进一步说明，所述换能器横板4上设置有换能器安装口4-1、换能器支撑口4-2和换能器定位面4-3，换能器安装口4-1和换能器支撑口4-2均左右对称设置有两个，两个换能器安装口4-1和换能器支撑口4-2分别设置在换能器横板4的左右两端，两个换能器安装口4-1和两个换能器支撑口4-2分别同轴设置，两个换能器支撑口4-2的左右两端均设置有换能器定位面4-3；换能器定位面4-3解决了两换能器5设置方向平行度的问题。

具体实施方式七：

下面结合图1-13说明本实施方式，本实施方式对实施方式六作进一步说明，所述换能器5包括一级变幅杆Ⅰ5-1、一级变幅杆Ⅱ5-2、变幅杆定位面5-3、一级变幅杆Ⅲ5-4、二级变幅杆5-5、绝缘片5-6、A电极5-7、B电级5-8、压电陶瓷5-9和后盖板5-10，一级变幅杆Ⅰ5-1的上端固定连接有一级变幅杆Ⅱ5-2，一级变幅杆Ⅱ5-2的左右两侧均设置有变幅杆定位面5-3，一级变幅杆Ⅲ5-4的下端固定连接在一级变幅杆Ⅱ5-2上，二级变幅杆5-5的下端固定连接在一级变幅杆Ⅲ5-4上，绝缘片5-6固定连接在一级变幅杆Ⅰ5-1的下端，绝缘片5-6的下端固定连接有两个A电极5-7和两个B电级5-8，两个A电极5-7和两个B电级5-8相互穿插设置，两个A电极5-7和两个B电级5-8的下端固定连接有压电陶瓷5-9，压电陶瓷5-9的下端固定连接有后盖板5-10，一级变幅杆Ⅱ5-2左右两侧上设置的变幅杆定位面5-3分别与对应的换能器定位面4-3接触，两个一级变幅杆Ⅰ5-1分别间隙配合在两个换能器安装口4-1内，两个一级变幅杆Ⅱ5-2的下端面分别与对应的换能器支撑口4-2接触，两个一级变幅杆Ⅱ5-2分别间隙配合在两个换能器支撑口4-2内，两个A电极5-7和两个B电级5-8均接在超声电源上，所述换能器5为1.5倍换能器，换能器5的谐振频率为20KHz，所述一级变幅杆Ⅰ5-1、一级变幅杆Ⅱ5-2和一级变幅杆Ⅲ5-4均为圆柱形，一级变幅杆Ⅰ5-1、一级变幅杆Ⅱ5-2和一级变幅杆Ⅲ5-4同轴设置，二级变幅杆5-5的上下两端面均为矩形，上下两端面的尺寸不同，二级变幅杆5-5的侧面形状为指数函数形式，弹性体振动平板7的左右两端分别通过细牙螺栓固定连接在二级变幅杆5-5的上端；换能器5由压电振子和变幅杆两部分组成，压电振子包括绝缘片5-6、压电陶瓷5-9和后盖板5-10，压电振子将电能转化为振动的机械能，变幅杆包括一级变幅杆Ⅰ5-1、一级变幅杆Ⅱ5-2、一级变幅杆Ⅲ5-4和二级变幅杆5-5，变幅杆将压电振子的振动幅度放大，所述初始时刻两路信号的相位差为0，在超声电源9输出的两路信号的驱动下两个换能器5将电信号转化为机械振动，在换能器5的辐射端输出振动波形，由于弹性体振动平板7的两端分别与两个换能器5的二级变幅杆5-5固定连接，所以换能器5产生的振动传递到弹性体振动平板7上，弹性体振动平板7产生弯曲振动，分别产生入射波，弹性体振动平板7的振动形式发生改变，从而在弹性体振动平板7与两个换能器5的固定连接处之间和反射板9之间产生含有行波成分的振动场导致被悬浮物体发生移动，悬浮物将随着行波方向移动，从而实现传输，能够传输的最大距离取决于弹性体振动平板7的拼接数量；为了获得较大振幅提高悬浮能力采用了两级变幅杆结构，一级变幅杆Ⅰ5-1、一级变幅杆Ⅱ5-2和一级变幅杆Ⅲ5-4形成阶梯形，二级变幅杆5-5为指数形。

具体实施方式八：

下面结合图1-13说明本实施方式，本实施方式对实施方式七作进一步说明，所述压板6上设置有压板定位孔6-1和压板安装槽6-2，压板定位孔6-1和压板安装槽6-2连通，两个压板6分别通过两个压板安装槽6-2安装在两个一级变幅杆Ⅲ5-4上，两个压板6分别通过两个压板定位孔6-1间隙配合在两个一级变幅杆Ⅲ5-4上，两个压板6内圆的下端面与一级变幅杆Ⅱ5-2接触；压板6的设计克服了换能器5与换能器横板4连接处的平面度和紧密度的问题。

一种可用于超声长距离悬浮传输装置的支撑距离确定方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一：超声电源9调节两个换能器5振动相位差控制弹性体振动平板7上振幅的改变，使得弹性体振动平板7上形成驻波声场11；

步骤二：激光测振仪控制箱8和激光头10测量弹性体振动平板7上的波长

步骤三：激光测振仪控制箱8和激光头10测量弹性体振动平板7上的振幅随超声电源9驱动两路换能器5的相位差之间的关系曲线；

步骤四：通过关系曲线和MATLAB生成的多组长度的振幅-相位差函数进行比对，并调整弹性体振动平板7两个与两路换能器5连接的支撑点间距离，使得弹性体振动平板7上的振动振幅满足悬浮传输条件；

步骤五：根据步骤二测量的弹性体振动平板7上的波长，调整换能器5与弹性体振动平板7连接的支撑点到弹性体振动平板7端部的距离，结合步骤四两个支撑点间距离，确定弹性体振动平板7的支撑距离。

一种可用于超声长距离悬浮传输装置的支撑距离确定方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一：超声电源9调节两个换能器5振动相位差控制弹性体振动平板7上振幅的改变，使得弹性体振动平板7上形成含有行波成分的二维驻波声场11对被悬浮物体12进行运输；

步骤二：激光测振仪控制箱8和激光头10测量弹性体振动平板7上的波长；

步骤三：激光测振仪控制箱8和激光头10测量弹性体振动平板7上的振幅随超声电源9驱动两路换能器5的相位差之间的关系曲线；

步骤四：根据步骤二测量的弹性体振动平板7上的波长，调整换能器5与弹性体振动平板7连接的支撑点到弹性体振动平板7端部的距离，即确定弹性体振动平板7的支撑距离。

弹性体振动平板7的两端分别与两个换能器5的二级变幅杆5-5固定连接，在超声电源9输出的两路信号的驱动下两个换能器5将电能转化为机械振动；弹性体振动平板7上产生的振动可视作两个换能器5各自单独工作产生的振动的叠加。单个换能器5工作产生的振动传递到弹性体振动平板7上并产生弯曲振动，产生入射波，遇另一个换能器5产生反射波，入射波与反射波多次叠加，将在弹性体振动平板7两换能器之间的部分形成含有驻波与行波成分的复合振动；单个换能器5产生的振动表示为Acos(ωt-kx)，另一个换能器5产生的振动表示为Acos(ωt-k(L-x)+Φ)；

式中：

A——换能器5的振幅

x——弹性体振动平板7上点的位置

t——时间

L——振动板长度

Φ——驱动两换能器5的两路信号的相位差

ω——驱动两换能器5信号的角速度

k——波数

为简化计算，仅考虑单次反射及相应的半波损失，两波叠加，弹性体振动平板7上的完整振动可以表示为：

f(x，t)＝A[cos(ωt-kx)+cos(ωt-k(L-x)+Φ)+cos(ωt+kx)+cos(ωt+k(L-x)+Φ)]

该振动是一系列行波叠加成的振动，其实际振动是含有驻波与行波成分的复合振动。驻波节点的位置为为驱动两换能器5的两路信号的相位差Φ和振动板长度L的函数：X＝X(Φ，L)

弹性体振动平板7上的振动振幅也为驱动两换能器5的两路信号的相位差Φ和振动板长度L的函数：A＝A(Φ，L)已知两路驱动信号的相位差Φ的取值范围(0-2π)，弹性体振动平板7上驻波节点移动和行波成分共同带动被悬浮的物体跟随移动，弹性体振动平板7上的振动振幅维持悬浮力。

当两个换能器5同时工作驱动弹性体振动平板7振动时，振动将叠加形成驻波与行波的复合波；具体的说，两个换能器5振动分别在弹性体振动平板7上形成振动波场，波场叠加形成的新的波场，这样在相同的激励电压下，振幅的大小就取决于两个波场中波峰的重合程度，即取决于换能器5振动的相位差；在两个换能器5同时振动时，弹性体振动平板7内形成的驻波振幅随两换能器5相位差(0-2π)的关系可以绘制出特性曲线；该曲线的形状只与弹性体振动平板7的长度有关；

通过MATLAB绘制多组振动板长度L对应的弹性体振动平板7振动的振幅函数A与相位差Φ关系图。

如图8至图12所示，图8所示振动平板支撑位置间距为nλ_b，图9所示振动平板支撑位置间距为nλ_b+λ_b/8，图10所示振动平板支撑位置间距为nλ_b+2λ_b/8，图11所示振动平板支撑位置间距为nλ_b+3λ_b/8，图12所示振动平板支撑位置间距为nλ_b+λ_b/2；在MATLAB仿真中，仿真频率为19kHz，对两换能器施加同幅值相位频率的激励；两换能器间的距离分别为(a)＝320mm,(b)＝325mm,(c)＝330mm,(d)＝335mm,(e)＝340mm；振动平板波长为40mm无半波损失。

如图8至图12所示，弹性体振动平板上的振幅与振动平板支撑位置间距有关，图8和图12在特定位置振动平板振幅为0，装置将失去悬浮传输能力并导致被悬浮物掉落。图9和图11所示振动平板振幅波动过大，装置对物体的悬浮能力不稳定，会导致被悬浮物悬浮传输不平稳。图10所示振动平板支撑位置间距为nλ_b+λ_b/4，振动平板振幅变化小，传输最稳定。因此，振动平板支撑位置间距距离控制在nλ_b+λ_b/8至nλ_b+3λ_b/8之间是能够满足稳定传输的必须条件。

弹性体振动平板7内形成的驻波振幅可通过单点式激光测振仪测量得到。

如图13所示f＝18.744kHz，L₁＝34.23mm，L₂＝320mm，两换能器激励电压相同为30V。

本发明的一种可用于超声长距离悬浮传输装置的支撑距离确定方法，其工作原理为：

使用时将要传输的物质放置在弹性体振动平板7上，启动超声电源，初始时刻两路信号的相位差为0，在超声电源输出的两路信号的驱动下两个换能器5将电能转化为机械振动，在换能器5的辐射端输出振动波形，将弹性体振动平板7的两端分别与两个换能器5的二级变幅杆5-5固定连接，换能器5产生的振动传递到弹性体振动平板7上，弹性体振动平板7通过细牙螺栓与换能器5相连，减少了声波传递过程中的能量损失，弹性体振动平板7产生弯曲振动，产生入射波，在弹性体振动平板7上与两个换能器5的固定连接处之间的部分产生含有驻波与行波成分的复合振动场，通过调节两个换能器5振动相位差由0到2π，可以实现弹性体振动平板7上驻波节点的移动和振幅的改变；通过激光测振仪控制箱8和激光头10可以测量弹性体振动平板7上相邻节点间距即振动的半波长；通过调节相位差移动驻波节点带到被悬浮物体移动时，弹性体振动平板7上形成的驻波振动场振幅的变化与弹性体两个支撑点间距离有关，并影响被悬浮物体悬浮的稳定性，该距离应控制在nλ_b+λ_b/8至nλ_b+3λ_b/8之间；变换换能器5的工作方式，在弹性体振动平板7上使用任意驻波或行波振动场进行被悬浮物体的传输时，支撑点到弹性体端部的距离控制为nλ_b+7λ_b/8，减少支撑点向弹性体端部之间的振动对弹性体振动平板支撑点之间形成的驻波声场的影响；通过激光测振仪控制箱8和激光头10测量振幅随超声电源9驱动两路换能器5的相位差之间的关系曲线，确定当前各支撑距离下弹性体振动平板7产生的振幅范围，能够在任意驱动两路换能器5的相位差下均产生足够大的悬浮力；弹性体振动平板7的两个支撑点间距离、支撑点到弹性体端部的距离的确定，实现装置的支撑距离确定。

当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种可用于超声长距离悬浮传输装置确定支撑距离的方法，可用于超声长距离悬浮传输装置包括换能器（5）、弹性体振动平板（7）、激光测振仪控制箱（8）、超声电源（9）和激光头（10），换能器（5）左右对称设置有两个，弹性体振动平板（7）的左右两端分别固定连接在两个换能器（5）的上端，其特征在于：换能器（5）在超声电源（9）的驱动下带动弹性体振动平板（7）产生振动，在弹性体振动平板（7）上与两个换能器（5）的固定连接处之间的部分产生含有行波成分的二维驻波声场（11），激光测振仪控制箱（8）和激光头（10）可以测量弹性体振动平板（7）上的振幅随超声电源（9）驱动两路换能器（5）的相位差之间的关系曲线，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一：超声电源（9）调节两个换能器（5）振动相位差控制弹性体振动平板（7）上振幅的改变，使得弹性体振动平板（7）上形成驻波声场（11）；

步骤二：激光测振仪控制箱（8）和激光头（10）测量弹性体振动平板（7）上的波长，波长用

表示；

步骤三：激光测振仪控制箱（8）和激光头（10）测量弹性体振动平板（7）上的振幅随超声电源（9）驱动两路换能器（5）的相位差之间的关系曲线；

步骤四：通过关系曲线和MATLAB生成的多组长度的振幅-相位差函数进行比对，并调整弹性体振动平板（7）与两个换能器（5）连接的支撑点间距离，该支撑点间距离应控制在

至

之间，使得弹性体振动平板（7）上的振动振幅满足悬浮传输条件；

步骤五：根据步骤二测量的弹性体振动平板（7）上的波长，调整换能器（5）与弹性体振动平板（7）连接的支撑点到弹性体振动平板（7）端部的距离，结合步骤四两个支撑点间距离，确定弹性体振动平板（7）的支撑位置。

2.根据权利要求1所述的一种可用于超声长距离悬浮传输装置确定支撑距离的方法，其特征在于：所述超声电源（9）和两个换能器（5）连接，超声电源（9）调节两个换能器（5）振动相位差控制弹性体振动平板（7）上振幅的改变，使得弹性体振动平板（7）上形成含有行波成分的二维驻波声场（11）。

3.根据权利要求1或2所述的一种可用于超声长距离悬浮传输装置确定支撑距离的方法，其特征在于：所述两个换能器（5）和一个弹性体振动平板（7）形成一个传输装置，多个传输装置相互首尾拼接。

4.根据权利要求1所述的一种可用于超声长距离悬浮传输装置确定支撑距离的方法，其特征在于：所述弹性体振动平板（7）上形成的含有行波成分的二维驻波声场（11）的振幅变化与弹性体振动平板（7）的两个支撑点间距离有关，弹性体振动平板（7）与换能器（5）连接支撑点到弹性体振动平板（7）端部的距离应与弹性体振动平板（7）上的波长满足比例关系。

5.根据权利要求1所述的一种可用于超声长距离悬浮传输装置确定支撑距离的方法，其特征在于：所述可用于超声长距离悬浮传输装置还包括底座（1）、换能器横板（4）、角铁竖架（2）、角铁横架（3）和压板（6），其特征在于：所述角铁竖架（2）设置有四个，四个角铁竖架（2）的下端分别固定连接在底座（1）的四个角上，角铁横架（3）前后对称设置有两个，两个角铁横架（3）的左右两端分别固定连接在四个角铁竖架（2）的中端，换能器横板（4）的前后两端分别固定连接在两个角铁横架（3）上，压板（6）左右对称设置有两个，两个压板（6）分别固定连接在换能器横板（4）的左右两端，两个压板（6）内圆的下端面分别与两个换能器（5）接触，两个压板（6）外圆的下端面均与换能器横板（4）接触。

6.根据权利要求5所述的一种可用于超声长距离悬浮传输装置确定支撑距离的方法，其特征在于：所述换能器横板（4）上设置有换能器安装口（4-1）、换能器支撑口（4-2）和换能器定位面（4-3），换能器安装口（4-1）和换能器支撑口（4-2）均左右对称设置有两个，两个换能器安装口（4-1）和换能器支撑口（4-2）分别设置在换能器横板（4）的左右两端，两个换能器安装口（4-1）和两个换能器支撑口（4-2）分别同轴设置，两个换能器支撑口（4-2）的左右两端均设置有换能器定位面（4-3）。

7.根据权利要求6所述的一种可用于超声长距离悬浮传输装置确定支撑距离的方法，其特征在于：所述换能器（5）包括一级变幅杆Ⅰ（5-1）、一级变幅杆Ⅱ（5-2）、变幅杆定位面（5-3）、一级变幅杆Ⅲ（5-4）、二级变幅杆（5-5）、绝缘片（5-6）、A电极（5-7）、B电级（5-8）、压电陶瓷（5-9）和后盖板（5-10），一级变幅杆Ⅰ（5-1）的上端固定连接有一级变幅杆Ⅱ（5-2），一级变幅杆Ⅱ（5-2）的左右两侧均设置有变幅杆定位面（5-3），一级变幅杆Ⅲ（5-4）的下端固定连接在一级变幅杆Ⅱ（5-2）上，二级变幅杆（5-5）的下端固定连接在一级变幅杆Ⅲ（5-4）上，绝缘片（5-6）固定连接在一级变幅杆Ⅰ（5-1）的下端， 绝缘片（5-6）的下端固定连接有两个A电极（5-7）和两个B电级（5-8），两个A电极（5-7）和两个B电级（5-8）相互穿插设置，两个A电极（5-7）和两个B电级（5-8）的下端固定连接有压电陶瓷（5-9），压电陶瓷（5-9）的下端固定连接有后盖板（5-10），一级变幅杆Ⅱ（5-2）左右两侧上设置的变幅杆定位面（5-3）分别与对应的换能器定位面（4-3）接触，两个一级变幅杆Ⅰ（5-1）分别间隙配合在两个换能器安装口（4-1）内，两个一级变幅杆Ⅱ（5-2）的下端面分别与对应的换能器支撑口（4-2）接触，两个一级变幅杆Ⅱ（5-2）分别间隙配合在两个换能器支撑口（4-2）内，两个A电极（5-7）和两个B电级（5-8）均接在超声电源上，所述换能器（5）为1.5倍换能器，换能器（5）的谐振频率为20KHz，所述一级变幅杆Ⅰ（5-1）、一级变幅杆Ⅱ（5-2）和一级变幅杆Ⅲ（5-4）均为圆柱形，一级变幅杆Ⅰ（5-1）、一级变幅杆Ⅱ（5-2）和一级变幅杆Ⅲ（5-4）同轴设置，二级变幅杆（5-5）的上下两端面均为矩形，上下两端面的尺寸不同，二级变幅杆（5-5）的侧面形状为指数函数形式，弹性体振动平板（7）的左右两端分别通过细牙螺栓固定连接在二级变幅杆（5-5）的上端。

8.根据权利要求7所述的一种可用于超声长距离悬浮传输装置确定支撑距离的方法，其特征在于：所述压板（6）上设置有压板定位孔（6-1）和压板安装槽（6-2），压板定位孔（6-1）和压板安装槽（6-2）连通，两个压板（6）分别通过两个压板安装槽（6-2）安装在两个一级变幅杆Ⅲ（5-4）上，两个压板（6）分别通过两个压板定位孔（6-1）间隙配合在两个一级变幅杆Ⅲ（5-4）上，两个压板（6）内圆的下端面与一级变幅杆Ⅱ（5-2）接触。

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