CN112037623A - 一种聚焦式超声驻波悬浮教学演示仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚焦式超声驻波悬浮教学演示仪，主要包括支架组件等，支架上盖板通过下法兰固定安装散热壳，散热壳内部通过上法兰固定安装超声换能器，超声换能器电连接换能器插座，散热壳顶部通过连接环固定安装风扇，风扇电连接风扇插座，换能器插座和风扇插座通过外壳后盖固定安装在散热壳的顶部并通过电缆连接超声波发生器，支撑立梁上安装有丝杆，丝杆上安装有可归零数显游标卡尺和声聚焦反射板，丝杆顶端连接手轮。本发明采用28kHz频率、倒喇叭形聚焦式超声换能器和凹球面声聚焦反射板设计，具有体积适中、噪音低、换能器发热量小、可稳定悬浮时间长、只需要单支换能器即可悬浮等优点，既可观察超声驻波悬浮现象，又可测得空气中声速。

Description

一种聚焦式超声驻波悬浮教学演示仪

技术领域

本发明涉及声悬浮技术的领域，具体涉及一种聚焦式超声驻波悬浮教学演示仪。

背景技术

磁悬浮列车已商业化运行多年，直升机的垂直起降和悬停也已实现，但声悬浮技术一直未见大规模商用，且电磁悬浮需要受到材料导电的限制。声音听得见，依靠介质来传播，但是却看不见摸不着。如何让学生、用户更直观、形象、通俗易懂的理解声音的产生、传播、干涉、迭加等原理知识，如何测量声音的波长、声音的传播速度、观察驻波现象，成为了一个问题。因此急需要一款超声驻波悬浮综合测试教仪装置。

市场上也出现了一些声悬浮装置，如申请号为201811003098.0的发明专利“一种水下超声悬浮场测量装置及使用方法”，该装置是在水中悬浮物体，如果功率过小，可能悬不住物体，如果功率过大，会引起超声空化效应。超声空化一般用在超声清洗领域，空化现象属于非线性，无法形成稳定的驻波场，也就无法稳定的悬浮物体，需要对某种特定的待悬浮物体精确控制，难度极大。此外，在水中容易让人误解是否是浮力克服了地球的吸引力而悬浮。授权号为CN207611531U的发明专利“可调控声悬浮实验仪”，需要一收一发一对换能器。授权号为CN208548079U的发明专利“一种声悬浮现象演示仪”，超声频率为20kHz，噪音太大，且需要一根透明圆柱管。申请号为201510689660.X的发明专利“声悬浮系统、方法及设备”，也是在低频，10Hz-1kHz，体积和噪音均太大，不方便教学演示。授权号为CN105575231B的发明专利“一种声悬浮演示器”，需要弧形管两端一对换能器同步振动，也是音频，噪音较大。该装置并不形成驻波，靠的是声压差气动悬浮。以上绝大部分声悬浮设备，用的都是喇叭形的换能器，能量较分散，需要大功率才能悬浮物体，或者需要借助波导管。而空气负载较轻，大功率下容易引起换能器发热升温，导致频率漂移。一旦频漂，波长也会发生同步变化，无法形成稳定的驻波而长时间悬浮物体，高温严重者，甚至会导致压电陶瓷元件退极化而失去压电效应罢工。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种聚焦式超声驻波悬浮教学演示仪。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的：这种聚焦式超声驻波悬浮教学演示仪，主要包括支架组件、下法兰、散热壳、上法兰、超声换能器、换能器插座、连接环、风扇、风扇插座、外壳后盖、电缆、超声波发生器、支撑立梁、底座、橡胶脚垫、圆柱管、丝杆、可归零数显游标卡尺、声聚焦反射板、手轮、支架上盖板、变辐杆、超声振子，支架组件包括一侧的支撑立梁和由支撑立梁上下分别连接的支架上盖板、底座，支架上盖板通过下法兰固定安装散热壳，散热壳内部通过上法兰固定安装超声换能器，超声换能器电连接换能器插座，散热壳顶部通过连接环固定安装风扇，风扇电连接风扇插座，换能器插座和风扇插座通过外壳后盖固定安装在散热壳的顶部并通过电缆连接超声波发生器，底座下安装有橡胶脚垫，支架组件外安装有圆柱管，支撑立梁上安装有丝杆，丝杆上安装有可归零数显游标卡尺和声聚焦反射板，丝杆顶端连接手轮，超声换能器包括通过螺杆锁紧连接的变辐杆和超声振子；所述变辐杆采用美铝材质，变辐杆设计为倒喇叭形，具有能量聚焦功能，所述声聚焦反射板采用凹球面结构。

所述超声换能器设计总长为171mm，直径为φ38mm，电性能参数为：谐振频率fr＝27.85-28.05kHz，静态电容C₀＝10000-12500pf，谐振阻抗Zm≤10Ω，绝缘阻抗Z≥2000MΩ。

所述圆柱管上开有窗户，圆柱管材质为亚克力。

所述散热壳上设有通风孔。

本发明的有益效果为：本发明采用28kHz频率、倒喇叭形聚焦式超声换能器和凹球面声聚焦反射板设计，具有体积适中、噪音低、换能器发热量小、可稳定悬浮时间长、只需要单支换能器即可悬浮等优点，既可观察超声驻波悬浮现象，又可测得空气中声速。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的下法兰示意图。

图3为本发明的下法兰剖视图。

图4为本发明的散热壳示意图。

图5为本发明的上法兰轴测视图。

图6为本发明的上法兰剖视图。

图7为本发明的超声换能器剖视图。

图8为本发明的连接环示意图。

图9为本发明的连接环剖视图。

图10为本发明的外壳后盖示意图。

图11为本发明的外壳后盖剖视图。

图12为本发明的声聚焦反射板示意图。

图13为本发明的声聚焦反射板A-A剖视图。

图14为本发明的变辐杆剖视图。

附图标记说明：支架组件1、下法兰2、散热壳3、上法兰4、超声换能器5、换能器插座6、连接环7、风扇8、风扇插座9、外壳后盖10、电缆11、超声波发生器12、支撑立梁13、底座14、橡胶脚垫15、圆柱管16、丝杆17、可归零数显游标卡尺18、声聚焦反射板19、手轮20、支架上盖板21、变辐杆22、超声振子23。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细的介绍：

实施例：如附图所示，这种聚焦式超声驻波悬浮教学演示仪，主要包括支架组件1、下法兰2、散热壳3、上法兰4、超声换能器5、换能器插座6、连接环7、风扇8、风扇插座9、外壳后盖10、电缆11、超声波发生器12、支撑立梁13、底座14、橡胶脚垫15、圆柱管16、丝杆17、可归零数显游标卡尺18、声聚焦反射板19、手轮20、支架上盖板21、变辐杆22、超声振子23，支架组件1包括一侧的支撑立梁13和由支撑立梁13上下分别连接的支架上盖板21、底座14，支架上盖板21通过下法兰2固定安装散热壳3，散热壳3内部通过上法兰4固定安装超声换能器5，超声换能器5电连接换能器插座6，散热壳3顶部通过连接环7固定安装风扇8，风扇8电连接风扇插座9，换能器插座6和风扇插座9通过外壳后盖10固定安装在散热壳3的顶部并通过电缆11连接超声波发生器12，底座14下安装有橡胶脚垫15，支架组件1外安装有圆柱管16，圆柱管16上开有窗户，圆柱管16材质为亚克力。窗户是为了方便操作者用镊子夹入悬浮小球至驻波场中。圆柱管16是为了保护稳定驻波场免受外界气流扰动影响。圆柱管16为无色透明，方便观察。镊子较小，不容易破坏驻波场。支撑立梁13上安装有丝杆17，丝杆17上安装有可归零数显游标卡尺18和声聚焦反射板19，声聚焦反射板19采用中间挖去R35mm的凹球面，可进一步聚焦声能量，提高利用率，可悬浮数量更多、密度更大的物体。丝杆17顶端连接手轮20。转动手轮20，可调节丝杆17上的声聚焦反射板19的高度，即超声换能器5辐射端面与声聚焦反射板19的距离，同时可归零数显游标卡尺18可实时显示位移变化量。超声换能器5包括通过螺杆锁紧连接的变辐杆22和超声振子23。20kHz及以下的音频，例如15kHz的低频，体积和噪音均比较大；如果频率过高，则功率较小，无法悬浮密度较大的物体。频率过高则波长较短，可悬浮物体的直径也较小，不利于学生的观察。变辐杆22采用美铝材质，总长86.5mm，大端面直径38mm，小端面直径25mm，则振幅放大倍数为2.31倍，变辐杆22设计为倒喇叭形，具有能量聚焦功能。散热壳3上注有通风孔。风扇8电连接的是超声波发生器12里的ACDC模块12Vdc。因超声换能器5工作时是高电压、低电流，因空气负载较轻，超声换能器5长时间大功率下工作不可避免的发热，所以需要在超声换能器5外套上散热壳3，并装上风扇8后，可以起到安全、美观、保密、散热的作用。

超声换能器5设计总长为171mm，直径为φ38mm，电性能参数为：谐振频率fr＝27.85-28.05kHz，静态电容C₀＝10000-12500pf，谐振阻抗Zm≤10Ω，绝缘阻抗Z≥2000MΩ。工作时噪音≤45dB，空气中功率P>100w，超声换能器5温升ΔT≤50℃，稳定悬浮时间T≥15mins。可悬浮液滴，也可稳定悬浮直径D≤3mm的8-10个泡沫小球。空气中波长λ＝v/f＝340/28≈12mm，则λ/4＝3mm，即可悬浮直径D≤3mm的泡沫小球。

本发明工作过程：超声波发生器12开机后，驱动超声换能器5向下辐射声波，同时风扇8开始为超声换能器5散热。转动丝杆17上的手轮20，调节声聚焦反射板19的高度。声波遇上声聚焦反射板19后反射回来，与发射声波迭加，形成驻波。用镊子夹住小球通过圆柱管16的窗户缓慢放入后松开，小球被“吸住”，即可悬浮小球。证明声波遇上声聚焦反射板19后，反射回来，与发射声波迭加，形成驻波，小球被束缚在驻波的波节处，此处振幅最小。依次放入更多小球，从可归零数显游标卡尺18读出相邻小球距离即为半波长。为减小实验误差，可多测几个小球，假设可归零数显游标卡尺18实测得n＝9个小球的距离L≈50mm，则(n-1)λ/2＝L，空气中声速v＝λf，代入公式v＝2Lf/(n-1)，代入数值v≈350m/s；由此，既可观察超声驻波悬浮现象，又可测得空气中声速。

可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种聚焦式超声驻波悬浮教学演示仪，其特征在于：主要包括支架组件(1)、下法兰(2)、散热壳(3)、上法兰(4)、超声换能器(5)、换能器插座(6)、连接环(7)、风扇(8)、风扇插座(9)、外壳后盖(10)、电缆(11)、超声波发生器(12)、支撑立梁(13)、底座(14)、橡胶脚垫(15)、圆柱管(16)、丝杆(17)、可归零数显游标卡尺(18)、声聚焦反射板(19)、手轮(20)、支架上盖板(21)、变辐杆(22)、超声振子(23)，支架组件(1)包括一侧的支撑立梁(13)和由支撑立梁(13)上下分别连接的支架上盖板(21)、底座(14)，支架上盖板(21)通过下法兰(2)固定安装散热壳(3)，散热壳(3)内部通过上法兰(4)固定安装超声换能器(5)，超声换能器(5)电连接换能器插座(6)，散热壳(3)顶部通过连接环(7)固定安装风扇(8)，风扇(8)电连接风扇插座(9)，换能器插座(6)和风扇插座(9)通过外壳后盖(10)固定安装在散热壳(3)的顶部并通过电缆(11)连接超声波发生器(12)，底座(14)下安装有橡胶脚垫(15)，支架组件(1)外安装有圆柱管(16)，支撑立梁(13)上安装有丝杆(17)，丝杆(17)上安装有可归零数显游标卡尺(18)和声聚焦反射板(19)，丝杆(17)顶端连接手轮(20)，超声换能器(5)包括通过螺杆锁紧连接的变辐杆(22)和超声振子(23)；所述为倒喇叭形，具有能量聚焦功能，所述声聚焦反射板(19)采用凹球面结构。

2.根据权利要求1所述的聚焦式超声驻波悬浮教学演示仪，其特征在于：所述超声换能器(5)设计总长为171mm，直径为φ38mm，电性能参数为：谐振频率fr＝27.85-28.05kHz，静态电容C₀＝10000-12500pf，谐振阻抗Zm≤10Ω，绝缘阻抗Z≥2000MΩ。

3.根据权利要求1所述的聚焦式超声驻波悬浮教学演示仪，其特征在于：所述圆柱管(16)上开有窗户，圆柱管(16)材质为亚克力。

4.根据权利要求1所述的聚焦式超声驻波悬浮教学演示仪，其特征在于：所述散热壳(3)上设有通风孔。

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