CN112758695A - 一种基于激励相位差调制超声传输换向控制方法 - Google Patents

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CN112758695A CN202011517385.0A CN202011517385A CN112758695A CN 112758695 A CN112758695 A CN 112758695A CN 202011517385 A CN202011517385 A CN 202011517385A CN 112758695 A CN112758695 A CN 112758695A
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Abstract

本发明涉及超声驻波/行波悬浮传输领域，更具体的说是一种基于激励相位差调制超声传输换向控制方法，步骤一：对换能器和换能器分别施加幅值和频率相同，但存在相位差θ的两路激励信号；步骤二：分析振动弹性体的振动位移，得到振动弹性体的最大振幅和最小振幅，获得在
Figure DDA0002848438240000011
恒定的情况下，形成纯行波θ值的理论公式；步骤三：改变两路激励信号的相位差θ，激光测振仪对整个弹性振动体辐射面进行振动扫描实验，得到振动弹性体上各点振幅相等时的激励信号相位差θ，由步骤二中得到的θ和
Figure DDA0002848438240000012
的数学关系，求出当前装置对应的空间几何相位差
Figure DDA0002848438240000013
步骤四：在支撑板长形成的空间相位差
Figure DDA0002848438240000014
确定之后，通过给定激励信号相位差θ在不同的区间，控制超声沿着不同方向传播。

Description

一种基于激励相位差调制超声传输换向控制方法
技术领域
本发明涉及超声驻波/行波悬浮传输领域，更具体的说是一种基于激励相位差调制超声传输换向控制方法。
背景技术
超声悬浮传输目前研究分为两种，一种是利用超声驻波悬浮进行传输，利用驻波将物体悬浮在声压节点；另一种是通过近声场悬浮进行传输。但是驻波悬浮传输的速度慢，而近声场悬浮传输的悬浮能力很弱，为了克服这两种传输方法上的缺陷，目前的研究方向则是施加两路同频同幅值的激励信号，使得行波和驻波同时存在，这样提高传输的速度，也能增强悬浮能力。通过调节两路激励信号的相位差，不仅可以调节行波和驻波成分比值，还能够控制传输速度和传输方向；
例如公开号CN111332803A专利—一种适用于超声长距离悬浮传输的驻波比调节方法，它具体阐述了超声悬浮装置的组成，并且详细说明了形成纯行波的激励信号相位差的求解公式，并且给出驻波比的理论公式，还进行一系列实验验证；
公开号CN111332803A中提供了确定该类装置中振动驻波和行波成分的理论依据，但是没有进行波传播方向的探讨；综上现有技术中还不能实现纯行波驱动或驻波行波共同驱动的往复运动。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于激励相位差调制超声传输换向控制方法，可以实现纯行波驱动或驻波行波共同驱动的往复运动。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种基于激励相位差调制超声传输换向控制方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：对换能器和换能器分别施加幅值和频率相同，但存在相位差θ的两路激励信号；
步骤二：分析振动弹性体的振动位移，设振动弹性体两个支撑点距离等效的空间相位差为
Figure BDA0002848438220000021
得到振动弹性体的最大振幅
Figure BDA0002848438220000022
和最小振幅
Figure BDA0002848438220000023
求解
Figure BDA0002848438220000024
获得在
Figure BDA0002848438220000025
恒定的情况下，形成纯行波θ值的理论公式；
步骤三：改变两路激励信号的相位差θ，激光测振仪对整个弹性振动体辐射面进行振动扫描实验，得到振动弹性体上各点振幅相等时的激励信号相位差θ，由步骤二中得到的θ和
Figure BDA0002848438220000026
的数学关系，求出当前装置对应的空间几何相位差
Figure BDA0002848438220000027
步骤四：在支撑板长形成的空间相位差
Figure BDA0002848438220000028
确定之后，通过给定激励信号相位差θ在不同的区间，控制超声沿着不同方向传播。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种基于激励相位差调制超声传输换向控制方法，所述激励信号为超声悬浮驱动装置工作在所要求的纵向振动模式下的机械谐振频率。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种基于激励相位差调制超声传输换向控制方法，所述超声悬浮驱动装置包括换能器、换能器、弹性振动体和激光测振仪，换能器和换能器的振动输出端之间可拆卸固定连接有弹性振动体，激光测振仪对整个弹性振动体辐射面进行振速扫描实验。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种基于激励相位差调制超声传输换向控制方法，在有限元仿真软件中确定超声悬浮传输装置的动力学模型，对超声悬浮传输装置模型进行模态仿真分析，得到超声悬浮传输装置中换能器和换能器工作在纵向振动模式下的机械谐振频率。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种基于激励相位差调制超声传输换向控制方法，两路激励信号为分别施加在换能器和换能器上的高频脉冲功率信号，该激励信号由频率、相位和幅值可调节的超声波电源提供。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种基于激励相位差调制超声传输换向控制方法，纯行波状态下，时间相位差θ与空间相位差
Figure BDA0002848438220000029
的关系推导过程如下：
弹性振动体上任意一个位于x处的质点在任意时刻t沿着z方向的振动位移为：
f(x，t)＝cosωtcoskx+cos(ωt+θ)cos[k(L-x)] (1)
式(1)中ω为换能器和换能器的激振信号的频率，k为振动弹性体上的波数，θ为换能器和换能器的激励信号的时间上的相位差，L为振动弹性体上两个换能器的支撑点之间的距离；令
Figure BDA0002848438220000031
则
Figure BDA0002848438220000032
可以理解为由于弹性振动体的支撑长度L 而产生的振动在空间上的相位差，则式(1)可以表示为如下形式：
Figure BDA0002848438220000033
为了求得弹性振动体上的最大振动位移和最小振动位移，需要求解二元函数f(x，t)的极值，由于原函数连续并且极值一定存在，只需满足
Figure BDA0002848438220000034
和
Figure BDA0002848438220000035
即可，这里首先求：
Figure BDA0002848438220000036
对应得到在弹性振动体任意位置x处的振动位移取得极值的时刻，并且令时间为t0，然后将t0代入公式(2)就可以得到在t0时刻下任意位置x处振动方程：
Figure BDA0002848438220000037
其中
Figure BDA0002848438220000038
是空间相位差(
Figure BDA0002848438220000039
在0～2π之间变化，通过改变振动弹体L来改变
Figure BDA00028484382200000310
)，其中θ是激励信号相位差(θ在0～2π之间变化，通过调节两路信号的相位差来改变θ；
式(4)是在t0时刻振动弹体上任意位置x处的振幅公式，现在寻找位置极值，可由式(4)直接分析得：
1)当
Figure BDA00028484382200000311
时，这说明只要满足时刻t0，振动弹体任意位置都满足极值条件，这说明振动弹体任意x位置上振幅相等，足纯行波条件，可得
若
Figure BDA00028484382200000312
若
Figure BDA00028484382200000313
2)当
Figure BDA00028484382200000314
时，只有当
Figure BDA00028484382200000315
时，才能取得极值；
此时，
Figure 1
将上面结果代入式(4)可得
Figure BDA0002848438220000041
Figure BDA0002848438220000042
当最大振动位移和最小振动位移相等，即
Figure BDA0002848438220000043
求解得到：
若
Figure BDA0002848438220000044
若
Figure BDA0002848438220000045
综合上面讨论，就可以发现，两种情况取得极值的条件相同，假设当 0≤θ≤2π时，可知存在两个θ值，θ1和θ2，使得振动弹性体上各点振动位移相等的纯行波情况，于是可以进一步求得；
若
Figure BDA0002848438220000046
若
Figure BDA0002848438220000047
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种基于激励相位差调制超声传输换向控制方法，测得的空间相位差
Figure BDA0002848438220000048
调节激励信号的相位差θ在不同的取值区间，控制传输的方向，具体阐述如下：
由步骤四测得板长形成的空间相位差为
Figure BDA0002848438220000049
每一个
Figure BDA00028484382200000410
均会存在两个特定的时间相位差θ1和θ2，在弹性振动体上形成纯行波：
(1)当
Figure BDA00028484382200000411
时，
Figure BDA00028484382200000412
现在进行分类讨论：
1)当0＜θ＜π时，此时对应的纯行波
Figure BDA00028484382200000413
此时记Δθ＝θ-θ1，从而可以分析知道
Figure BDA00028484382200000414
将θ代入式(2)得到振动弹体上代入式(2)得到振动弹体上位于x处的质点在t时刻沿t方向的振动位移为
Figure BDA00028484382200000415
将式(10)进一步化简得到
Figure BDA00028484382200000416
进一步化简可得
Figure BDA00028484382200000417
Figure BDA0002848438220000051
式(12)中的
Figure BDA0002848438220000052
式(12)就是超声波的波动方程，式(12) 中前一项是纯驻波，不需要传播方向的判断，后一项是纯行波，可以得知此时超声波沿着x轴负向传播；
2)当π＜θ＜2π时，此时对应的纯行波
Figure BDA0002848438220000053
此时记Δθ＝θ-θ2,从而可以分析知道
Figure BDA0002848438220000054
将θ代入式(2)得到振动弹体上位于x处的质点在 t时刻沿z方向的振动位移为：
Figure BDA0002848438220000055
将式(12)进一步化简得到
Figure BDA0002848438220000056
进一步化简可得
Figure BDA0002848438220000057
式(15)中的
Figure BDA0002848438220000058
式(15)就是超声波的波动方程，式(15) 中前一项是纯驻波，不需要传播方向的判断，后一项是纯行波，可以得知此时超声波沿着x轴正向传播；
(2)当
Figure BDA0002848438220000059
时，
Figure BDA00028484382200000510
现在进行分类讨论：
1)当0＜θ＜π时，此时对应的纯行波
Figure BDA00028484382200000511
此时记Δθ＝θ-θ1, 从而可以分析知道
Figure BDA00028484382200000512
将θ代入式(2)得到振动弹体上位于x处的质点在t时刻沿Z方向的振动位移为：
Figure BDA00028484382200000513
将式(14)进一步化简得到
Figure BDA00028484382200000514
进一步化简
Figure BDA0002848438220000061
式(18)中的
Figure BDA0002848438220000062
式(18)就是超声波的波动方程，式(18) 中前一项是纯驻波，不需要传播方向的判断，后一项是纯行波，可以得出此时超声波沿着x轴正向传播；
2)当π＜θ＜2π时，此时对应的纯行波
Figure BDA0002848438220000063
此时记Δθ＝θ-θ1,从而可以分析知道
Figure BDA0002848438220000064
将θ代入式(2)得到振动弹体上位于x处的质点在t时刻沿z方向的振动位移为；
Figure BDA0002848438220000065
将式(16)进一步化简得到
Figure BDA0002848438220000066
进一步化简得到
Figure BDA0002848438220000067
式(21)中的
Figure BDA0002848438220000068
式(21)就是超声波的波动方程，式 (21)中前一项是纯驻波，不需要传播方向的判断，后一项是纯行波，可以得出此时超声波沿着x轴负向传；
进一步进行分析讨论可得：
(1)若支撑板长形成的空间相位差
Figure BDA0002848438220000069
时，
1)若要实现超声沿x轴负向传播，由式(12)可知应该调节激励信号的相位差0＜θ＜π；
2)若要实现超声沿x轴正向传播，由式(15)可知应该调节激励信号的相位差π＜θ＜2π；
(2)若支撑板长形成的空间相位差
Figure BDA00028484382200000610
时，
1)若要实现超声沿x轴正向传播，由式(18)可知应该调节激励信号的相位差0＜θ＜π；
2)若要实现超声沿x轴负向传播，由式(21)可知应该调节激励信号的相位差π＜θ＜2π。
本发明一种基于激励相位差调制超声传输换向控制方法的有益效果为：
本发明一种基于激励相位差调制超声传输换向控制方法，给出了在支撑板长形成空间相位差确定的情况下，确定波传播方向的理论公式；提出了实现往返运动的调节方法，往返运动的本质就是超声波的传播方向改变，即在装置参数确定并已知，固定一路信号的参数，根据确定的空间相位差
Figure BDA0002848438220000071
调节激励信号相位差θ在不同的取值区间，这样就能控制传播方向，进而实现往返运动，而这种调节简单，效率高。
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。
图1是本发明的超声长距离悬浮传输装置结构示意图；
图2是本发明的振动弹性体上质点的振动位移极值以及运动方向随着时间相位差变化的曲线示意图；
图3是本发明的振动弹性体上质点的振动位移极值以及运动方向随着时间相位差变化的曲线示意图；
图4是本发明的振动弹性体上任意位置质点沿悬浮方向的最大振幅与最小振幅之比即驻波比SWR随时间相位差θ和空间相位差
Figure BDA0002848438220000072
变化的三维曲线示意图。
图中：底座1；角竖架2；换能器3-1；换能器3-2；固定换能器横板4；弹性振动体5；激光测振仪6；换能器压板7。
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至4说明本实施方式，一种基于激励相位差调制超声传输换向控制方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：按照要求搭建超声悬浮驱动装，对换能器3-1和换能器3-2分别施加幅值和频率相同，但存在相位差θ的两路激励信号；
步骤二：分析振动弹性体5的振动位移，设振动弹性体两个支撑点距离等效的空间相位差为
Figure BDA0002848438220000081
得到振动弹性体的最大振幅
Figure BDA0002848438220000082
和最小振幅
Figure BDA0002848438220000083
求解
Figure BDA0002848438220000084
获得在
Figure BDA0002848438220000085
恒定的情况下，形成纯行波θ值的理论公式；写出任意时刻t，振动弹性体5上位于x处的质点沿着Z方向的振动方程f(x，t)；求解f(x，t)的极值；
步骤三：改变两路激励信号的相位差θ，激光测振仪6对整个弹性振动体5 辐射面进行振动扫描实验，得到振动弹性体上各点振幅相等时的激励信号相位差θ，由步骤二中得到的θ和
Figure BDA0002848438220000086
的数学关系，求出当前装置对应的空间几何相位差
Figure BDA0002848438220000087
记测量得到的空间相位差θ为
Figure BDA0002848438220000088
Figure BDA0002848438220000089
反映振动弹性体上两支撑点间距和波长的几何关系；空间相位差
Figure BDA00028484382200000810
是由弹性振动体5的支撑距离L产生的，是超声悬浮传输装置的特性参数，改变两路激励信号的相位差θ，使得该悬浮传输装置在不同的相位差θ下工作，激光测振仪6对整个弹性振动体5辐射面进行振速扫描实验，得到振动弹性体上各点振幅相等时的激励信号相位差θ，由步骤二中得到的θ和
Figure BDA00028484382200000811
的数学关系，求出当前装置对应的空间几何相位差
Figure BDA00028484382200000812
记测量得到的空间相位差
Figure BDA00028484382200000813
为
Figure BDA00028484382200000814
Figure BDA00028484382200000815
反映振动弹性体上两支撑点间距和波长的几何关系；
步骤四：在支撑板长形成的空间相位差
Figure BDA00028484382200000816
确定之后，通过给定激励信号相位差θ在不同的区间，存在两个值，θ1和θ2，控制超声沿着不同方向传播；进而实现往返运动；超声悬浮传输驱动的本质是驱动的声场的移动，从而带动悬浮物的行走，故要实现往返运动，只需要改变超声的传播方向。支撑板长确定的空间相位差
Figure BDA00028484382200000817
确定之后，通过改变激励信号相位差θ在不同的取值区间，就能控制超声波的传播方向，进而实现往返运动。
图2中空间相位差
Figure BDA00028484382200000818
满足
Figure BDA00028484382200000819
即板长满足
Figure BDA00028484382200000820
图3中空间相位差
Figure BDA0002848438220000091
满足
Figure BDA0002848438220000092
即板长满足
Figure BDA0002848438220000093
具体实施方式二：
下面结合图1至4说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述激励信号为超声悬浮驱动装置工作在所要求的纵向振动模式下的机械谐振频率；在有限元仿真软件中确定长距离超声悬浮传输装置的动力学模型，对模型进行模态仿真分析，得到该悬浮传输装置中两个超声波换能器3-1和3-2 工作在纵向振动模式下的机械谐振频率。模型包括两个超声换能器3-1和3-2、振动弹性体5、以及换能器的支撑结构等，重点对超声换能器压电陶瓷的放置方式、变幅杆以及振动弹性体5的结构进行建模。其中振动弹性体5为用于超声悬浮传输的超声波辐射面，振动弹性体5的振动模态决定了超声波声场的分布形式。对整个悬浮传输装置进行模态仿真分析，重点观察超声波换能器3-1和 3-2和振动弹性体5的振动模态，分析装置的前几阶谐振频率及其对应的振型，最终选取该悬浮传输装置中两个超声波换能器3-1和3-2工作在纵向振动模式下的机械谐振频率。选定好谐振频率后，将两个超声换能器3-1和3-2都设置在该谐振频率附近进行工作，保证两路激励信号频率相同；振动弹性体5可以是铝板。
具体实施方式三：
下面结合图1至4说明本实施方式，本实施方式对实施方式二作进一步说明，所述超声悬浮驱动装置包括换能器3-1、换能器3-2、弹性振动体5和激光测振仪6，换能器3-1和换能器3-2的振动输出端之间可拆卸固定连接有弹性振动体5，激光测振仪6对整个弹性振动体5辐射面进行振速扫描实验；其中换能器3-1和换能器3-2左右对置安装，且两个换能器的结构尺寸和电学参数相同，换能器可采用郎之万压电陶瓷换能器。弹性振动体5的两端分别固定连接在两个换能器3-1和换能器3-2的振动输出端端，换能器3-1和换能器3-2通过螺栓与振动弹性体5连接；振动弹性体5可以是铝板；换能器3-1和换能器3-2在超声波电源的驱动下带动振动弹性体5振动，超声波电源可以购买或自制，要求电源可以输出两路频率、幅值和相位独立可调节的功率超声信号，其中，换能器3-2的激励信号超前于换能器3-1的相位为θ；两个换能器同时被激励在谐振频率下时，弹性振动体5上得到两个振动的叠加，系统处于正常工作状态。
具体实施方式四：
下面结合图1至4说明本实施方式，本实施方式对实施方式三作进一步说明，在有限元仿真软件中确定超声悬浮传输装置的动力学模型，限元仿真软件可以是ANSYS，对超声悬浮传输装置模型进行模态仿真分析，得到超声悬浮传输装置中换能器3-1和换能器3-2工作在纵向振动模式下的机械谐振频率；两路信号的幅值和频率保持相同，但存在相位差。其中，根据被悬浮物体所需要的悬浮力选择两路激励信号的幅值，两路信号的频率由有限元模态仿真分析结果确定，两路信号之间的相位差可以连续调节。
具体实施方式五：
下面结合图1至4说明本实施方式，本实施方式对实施方式四作进一步说明，两路激励信号为分别施加在换能器3-1和换能器3-2上的高频脉冲功率信号，该激励信号由频率、相位和幅值可调节的超声波电源提供。
具体实施方式六：
下面结合图1至4说明本实施方式，本实施方式对实施方式五作进一步说明，步骤二中给出了振动弹性体5上位于任意位置x处的质点在任意时刻沿着Z方向的振动位移方程，求出质点振动位移的最大幅值和最小幅值，推导出振动弹性体5上各点振动幅值相等(纯行波状态)时，时间相位差θ与空间相位差
Figure BDA0002848438220000101
的关系。具体推导过程如下：
弹性振动体5上任意一个位于x处的质点在任意时刻t沿着z方向的振动位移为：
f(x，t)＝cosωtcoskx+cos(ωt+θ)cos[k(L-x)] (1)
式(1)中ω为换能器3-1和换能器3-2的激振信号的频率，k为振动弹性体上的波数，θ为换能器3-1和换能器3-2的激励信号的时间上的相位差，L为振动弹性体上两个换能器的支撑点之间的距离；令
Figure BDA0002848438220000111
则
Figure BDA0002848438220000112
可以理解为由于弹性振动体5的支撑长度L而产生的振动在空间上的相位差，则式(1)可以表示为如下形式：
Figure BDA0002848438220000113
为了求得弹性振动体5上的最大振动位移和最小振动位移，需要求解二元函数f(x，t)的极值，由于原函数连续并且极值一定存在，只需满足
Figure BDA0002848438220000114
和
Figure BDA0002848438220000115
即可，这里首先求：
Figure BDA0002848438220000116
对应得到在弹性振动体5任意位置x处的振动位移取得极值的时刻，并且令时间为t0，然后将t0代入公式(2)就可以得到在t0时刻下任意位置x处振动方程：
Figure BDA0002848438220000117
其中
Figure BDA0002848438220000118
是空间相位差(
Figure BDA0002848438220000119
在0～2π之间变化，通过改变振动弹体L来改变
Figure BDA00028484382200001110
)，其中θ是激励信号相位差(θ在0～2π之间变化，通过调节两路信号的相位差来改变θ；
式(4)是在t0时刻振动弹体上任意位置x处的振幅公式，现在寻找位置极值，可由式(4)直接分析得：
1)当
Figure BDA00028484382200001111
时，这说明只要满足时刻t0，振动弹体任意位置都满足极值条件，这说明振动弹体任意x位置上振幅相等，足纯行波条件，可得
若
Figure BDA00028484382200001112
若
Figure BDA00028484382200001113
2)当
Figure BDA00028484382200001114
时，只有当
Figure BDA00028484382200001115
时，才能取得极值；
此时，
Figure 100002_2
将上面结果代入式(4)可得
Figure BDA00028484382200001117
Figure BDA00028484382200001118
当最大振动位移和最小振动位移相等，即
Figure BDA0002848438220000121
求解得到：
若
Figure BDA0002848438220000122
若
Figure BDA0002848438220000123
综合上面讨论，就可以发现，两种情况取得极值的条件相同，假设当 0≤θ≤2π时，可知存在两个θ值，θ1和θ2，使得振动弹性体上各点振动位移相等的纯行波情况，于是可以进一步求得；
若
Figure BDA0002848438220000124
若
Figure BDA0002848438220000125
假设振动弹性体支撑距离L＝mλ+ΔL，(m∈Z),空间相位
Figure BDA0002848438220000126
当
Figure BDA0002848438220000127
时，调节激励相位差
Figure BDA0002848438220000128
或
Figure BDA0002848438220000129
当
Figure BDA00028484382200001210
时，调节激励相位差
Figure BDA00028484382200001211
或
Figure BDA00028484382200001212
不管振动弹体支撑距离
Figure BDA00028484382200001213
决定的空间相位差为何值时，都通过调节激励相位差差θ补偿空间相位差
Figure BDA00028484382200001214
形成纯行波传输；
结合附图2和附图3进行说明，附图2是选取空间相位差
Figure BDA00028484382200001215
由图像可以看出形成纯行波的两个时间相位差分别为
Figure BDA00028484382200001216
和
Figure BDA00028484382200001217
满足上式(9)；附图3是选取空间相位差
Figure BDA00028484382200001218
由图像可以看出形成纯行波的两个时间相位差分别为
Figure BDA00028484382200001219
和
Figure BDA00028484382200001220
满足上式(9)。
具体实施方式七：
下面结合图1至4说明本实施方式，本实施方式对实施方式六作进一步说明，在超声悬浮传输驱动中，纯驻波只能悬浮物体，不存在传播方向的判断；当驻波和行波共存时，超声悬浮传输的方向与行波的传播方向一致，而在本专利中由前面步骤二中式(2)可知超声空间相位差
Figure BDA00028484382200001221
确定之后，在相位差θ的一个周期[0,2π]内，只有当θ＝0和θ＝π以及θ＝2π时超声会形成纯驻波。当超声中行波的传播方向不变时，改变驻波成分，只是改变悬浮传输驱动的速度，不改变传播方向。下面将根据确定的空间相位差
Figure BDA0002848438220000131
推导出θ在不同取值区间的超声传播方向；从波的波动方程能够直接得到波动的传播方向，在超声悬浮驱动中，往返运动的实质是波的传播方向改变，当超声波确定后，任何位置任何时刻传播方向是一致的。由步骤四测得板长形成的空间相位差为
Figure BDA0002848438220000132
每一个
Figure BDA0002848438220000133
均会存在两个特定的时间相位差θ1和θ2，在弹性振动体上形成纯行波；测得的空间相位差
Figure BDA0002848438220000134
调节激励信号的相位差θ在不同的取值区间，控制传输的方向，具体阐述如下：
由步骤四测得板长形成的空间相位差为
Figure BDA0002848438220000135
每一个
Figure BDA0002848438220000136
均会存在两个特定的时间相位差θ1和θ2，在弹性振动体上形成纯行波：
(1)当
Figure BDA0002848438220000137
时，
Figure BDA00028484382200001315
现在进行分类讨论：
2)当0＜θ＜π时，此时对应的纯行波
Figure BDA0002848438220000138
此时记Δθ＝θ-θ1，从而可以分析知道
Figure BDA0002848438220000139
将θ代入式(2)得到振动弹体上代入式(2)得到振动弹体上位于x处的质点在t时刻沿t方向的振动位移为
Figure BDA00028484382200001310
将式(10)进一步化简得到
Figure BDA00028484382200001311
进一步化简可得
Figure BDA00028484382200001312
式(12)中的
Figure BDA00028484382200001313
式(12)就是超声波的波动方程，式(12) 中前一项是纯驻波，不需要传播方向的判断，后一项是纯行波，可以得知此时超声波沿着x轴负向传播；
2)当π＜θ＜2π时，此时对应的纯行波
Figure BDA00028484382200001314
此时记Δθ＝θ-θ2,从而可以分析知道
Figure BDA0002848438220000141
将θ代入式(2)得到振动弹体上位于x处的质点在 t时刻沿z方向的振动位移为：
Figure BDA0002848438220000142
将式(12)进一步化简得到
Figure BDA0002848438220000143
进一步化简可得
Figure BDA0002848438220000144
式(15)中的
Figure BDA0002848438220000145
式(15)就是超声波的波动方程，式(15) 中前一项是纯驻波，不需要传播方向的判断，后一项是纯行波，可以得知此时超声波沿着x轴正向传播；
(2)当
Figure BDA0002848438220000146
时，
Figure BDA0002848438220000147
现在进行分类讨论：
3)当0＜θ＜π时，此时对应的纯行波
Figure BDA0002848438220000148
此时记Δθ＝θ-θ1, 从而可以分析知道
Figure BDA0002848438220000149
将θ代入式(2)得到振动弹体上位于x处的质点在t时刻沿Z方向的振动位移为：
Figure BDA00028484382200001410
将式(14)进一步化简得到
Figure BDA00028484382200001411
进一步化简
Figure BDA00028484382200001412
式(18)中的
Figure BDA00028484382200001413
式(18)就是超声波的波动方程，式(18) 中前一项是纯驻波，不需要传播方向的判断，后一项是纯行波，可以得出此时超声波沿着x轴正向传播；
4)当π＜θ＜2π时，此时对应的纯行波
Figure BDA0002848438220000151
此时记Δθ＝θ-θ1,从而可以分析知道
Figure BDA0002848438220000152
将θ代入式(2)得到振动弹体上位于x处的质点在t时刻沿z方向的振动位移为；
Figure BDA0002848438220000153
将式(16)进一步化简得到
Figure BDA0002848438220000154
进一步化简得到
Figure BDA0002848438220000155
式(21)中的
Figure BDA0002848438220000156
式(21)就是超声波的波动方程，式 (21)中前一项是纯驻波，不需要传播方向的判断，后一项是纯行波，可以得出此时超声波沿着x轴负向传；
进一步进行分析讨论可得：
(1)若支撑板长形成的空间相位差
Figure BDA0002848438220000157
时，
1)若要实现超声沿x轴负向传播，由式(12)可知应该调节激励信号的相位差0＜θ＜π；
2)若要实现超声沿x轴正向传播，由式(15)可知应该调节激励信号的相位差π＜θ＜2π；
(2)若支撑板长形成的空间相位差
Figure BDA0002848438220000158
时，
1)若要实现超声沿x轴正向传播，由式(18)可知应该调节激励信号的相位差0＜θ＜π；
2)若要实现超声沿x轴负向传播，由式(21)可知应该调节激励信号的相位差π＜θ＜2π。
结合附图4说明在不同的空间相位差
Figure BDA0002848438220000159
下，如何通过调节时间相位差θ获得不同的传播速度方向，通过θ＝π和
Figure BDA00028484382200001510
两个平面将空间划分成4个部分，标出各自区域的传播速度方向，具体为；
(1)当
Figure BDA0002848438220000161
时，调节0＜θ＜π时，可以控制波沿着x轴负向传播；
(2)当
Figure BDA0002848438220000162
时，调节π＜θ＜2π时，可以控制波沿着x轴正向传播；
(3)当
Figure BDA0002848438220000163
时，调节0＜θ＜π时，可以控制波沿着x轴正向传播；
(4)当
Figure BDA0002848438220000164
时，调节π＜θ＜2π时，可以控制波沿着x轴负向传播。
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 (7)

1.一种基于激励相位差调制超声传输换向控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤一：对换能器(3-1)和换能器(3-2)分别施加幅值和频率相同，但存在相位差θ的两路激励信号；
步骤二：分析振动弹性体(5)的振动位移，设振动弹性体两个支撑点距离等效的空间相位差为
Figure FDA0002848438210000011
得到振动弹性体的最大振幅
Figure FDA0002848438210000012
和最小振幅
Figure FDA0002848438210000013
求解
Figure FDA0002848438210000014
获得在
Figure FDA0002848438210000015
恒定的情况下，形成纯行波θ值的理论公式；
步骤三：改变两路激励信号的相位差θ，激光测振仪(6)对整个弹性振动体(5)辐射面进行振动扫描实验，得到振动弹性体上各点振幅相等时的激励信号相位差θ，由步骤二中得到的θ和
Figure FDA0002848438210000016
的数学关系，求出当前装置对应的空间几何相位差
Figure FDA0002848438210000017
步骤四：在支撑板长形成的空间相位差
Figure FDA0002848438210000018
确定之后，通过给定激励信号相位差θ在不同的区间，控制超声沿着不同方向传播。
2.根据权利要求1所述的一种基于激励相位差调制超声传输换向控制方法，其特征在于：所述激励信号为超声悬浮驱动装置工作在所要求的纵向振动模式下的机械谐振频率。
3.根据权利要求2所述的一种基于激励相位差调制超声传输换向控制方法，其特征在于：所述超声悬浮驱动装置包括换能器(3-1)、换能器(3-2)、弹性振动体(5)和激光测振仪(6)，换能器(3-1)和换能器(3-2)的振动输出端之间可拆卸固定连接有弹性振动体(5)，激光测振仪(6)对整个弹性振动体(5)辐射面进行振速扫描实验。
4.根据权利要求3所述的一种基于激励相位差调制超声传输换向控制方法，其特征在于：在有限元仿真软件中确定超声悬浮传输装置的动力学模型，对超声悬浮传输装置模型进行模态仿真分析，得到超声悬浮传输装置中换能器(3-1)和换能器(3-2)工作在纵向振动模式下的机械谐振频率。
5.根据权利要求1所述的一种基于激励相位差调制超声传输换向控制方法，其特征在于：两路激励信号为分别施加在换能器(3-1)和换能器(3-2)上的高频脉冲功率信号，该激励信号由频率、相位和幅值可调节的超声波电源提供。
6.根据权利要求1所述的一种基于激励相位差调制超声传输换向控制方法，其特征在于：纯行波状态下，时间相位差θ与空间相位差
Figure FDA0002848438210000021
的关系推导过程如下：
弹性振动体(5)上任意一个位于x处的质点在任意时刻t沿着z方向的振动位移为：
f(x，t)＝cosωtcoskx+cos(ωt+θ)cos[k(L-x)] (1)
式(1)中ω为换能器(3-1)和换能器(3-2)的激振信号的频率，k为振动弹性体上的波数，θ为换能器(3-1)和换能器(3-2)的激励信号的时间上的相位差，L为振动弹性体上两个换能器的支撑点之间的距离；令
Figure FDA0002848438210000022
则
Figure FDA0002848438210000023
可以理解为由于弹性振动体(5)的支撑长度L而产生的振动在空间上的相位差，则式(1)可以表示为如下形式：
Figure FDA0002848438210000024
为了求得弹性振动体(5)上的最大振动位移和最小振动位移，需要求解二元函数f(x，t)的极值，由于原函数连续并且极值一定存在，只需满足
Figure FDA0002848438210000025
和
Figure FDA0002848438210000026
即可，这里首先求：
Figure FDA0002848438210000027
对应得到在弹性振动体(5)任意位置x处的振动位移取得极值的时刻，并且令时间为t0，然后将t0代入公式(2)就可以得到在t0时刻下任意位置x处振动方程：
Figure FDA0002848438210000028
其中
Figure FDA0002848438210000029
是空间相位差(
Figure FDA00028484382100000210
在0～2π之间变化，通过改变振动弹体L来改变
Figure FDA00028484382100000211
)，其中θ是激励信号相位差(θ在0～2π之间变化，通过调节两路信号的相位差来改变θ；
式(4)是在t0时刻振动弹体上任意位置x处的振幅公式，现在寻找位置极值，可由式(4)直接分析得：
1)当
Figure FDA0002848438210000031
时，这说明只要满足时刻t0，振动弹体任意位置都满足极值条件，这说明振动弹体任意x位置上振幅相等，足纯行波条件，可得
若
Figure FDA0002848438210000032
若
Figure FDA0002848438210000033
2)当
Figure FDA0002848438210000034
时，只有当
Figure FDA0002848438210000035
时，才能取得极值；
此时，
Figure 2
将上面结果代入式(4)可得
Figure FDA0002848438210000037
Figure FDA0002848438210000038
当最大振动位移和最小振动位移相等，即
Figure FDA0002848438210000039
求解得到：
若
Figure FDA00028484382100000310
若
Figure FDA00028484382100000311
综合上面讨论，就可以发现，两种情况取得极值的条件相同，假设当0≤θ≤2π时，可知存在两个θ值，θ1和θ2，使得振动弹性体上各点振动位移相等的纯行波情况，于是可以进一步求得；
若
Figure FDA00028484382100000312
若
Figure FDA00028484382100000313
。
7.根据权利要求1所述的一种基于激励相位差调制超声传输换向控制方法，其特征在于：测得的空间相位差
Figure FDA00028484382100000314
调节激励信号的相位差θ在不同的取值区间，控制传输的方向，具体阐述如下：
由步骤四测得板长形成的空间相位差为
Figure FDA00028484382100000315
每一个
Figure FDA00028484382100000316
均会存在两个特定的时间相位差θ1和θ2，在弹性振动体上形成纯行波：
(1)当
Figure FDA00028484382100000317
时，
Figure FDA00028484382100000318
现在进行分类讨论：
1)当0＜θ＜π时，此时对应的纯行波
Figure FDA00028484382100000319
此时记Δθ＝θ-θ1，从而可以分析知道
Figure FDA00028484382100000320
将θ代入式(2)得到振动弹体上代入式(2)得到振动弹体上位于x处的质点在t时刻沿t方向的振动位移为
Figure FDA0002848438210000041
将式(10)进一步化简得到
Figure FDA0002848438210000042
进一步化简可得
Figure FDA0002848438210000043
式(12)中的
Figure FDA0002848438210000044
式(12)就是超声波的波动方程，式(12)中前一项是纯驻波，不需要传播方向的判断，后一项是纯行波，可以得知此时超声波沿着x轴负向传播；
2)当π＜θ＜2π时，此时对应的纯行波
Figure FDA0002848438210000045
此时记Δθ＝θ-θ2,从而可以分析知道
Figure FDA0002848438210000046
将θ代入式(2)得到振动弹体上位于x处的质点在t时刻沿z方向的振动位移为：
Figure FDA0002848438210000047
将式(12)进一步化简得到
Figure FDA0002848438210000048
进一步化简可得
Figure FDA0002848438210000049
式(15)中的
Figure FDA00028484382100000410
式(15)就是超声波的波动方程，式(15)中前一项是纯驻波，不需要传播方向的判断，后一项是纯行波，可以得知此时超声波沿着x轴正向传播；
(2)当
Figure FDA00028484382100000411
时，
Figure FDA00028484382100000412
现在进行分类讨论：
1)当0＜θ＜π时，此时对应的纯行波
Figure FDA00028484382100000413
此时记Δθ＝θ-θ1, 从而可以分析知道
Figure FDA0002848438210000051
将θ代入式(2)得到振动弹体上位于x处的质点在t时刻沿Z方向的振动位移为：
Figure FDA0002848438210000052
将式(14)进一步化简得到
Figure FDA0002848438210000053
进一步化简
Figure FDA0002848438210000054
式(18)中的
Figure FDA0002848438210000055
式(18)就是超声波的波动方程，式(18)中前一项是纯驻波，不需要传播方向的判断，后一项是纯行波，可以得出此时超声波沿着x轴正向传播；
2)当π＜θ＜2π时，此时对应的纯行波
Figure FDA0002848438210000056
此时记Δθ＝θ-θ1,从而可以分析知道
Figure FDA0002848438210000057
将θ代入式(2)得到振动弹体上位于x处的质点在t时刻沿z方向的振动位移为；
Figure FDA0002848438210000058
将式(16)进一步化简得到
Figure FDA0002848438210000059
进一步化简得到
Figure FDA00028484382100000510
式(21)中的
Figure FDA00028484382100000511
式(21)就是超声波的波动方程，式(21)中前一项是纯驻波，不需要传播方向的判断，后一项是纯行波，可以得出此时超声波沿着x轴负向传；
进一步进行分析讨论可得：
(1)若支撑板长形成的空间相位差
Figure FDA0002848438210000061
时，
1)若要实现超声沿x轴负向传播，由式(12)可知应该调节激励信号的相位差0＜θ＜π；
2)若要实现超声沿x轴正向传播，由式(15)可知应该调节激励信号的相位差π＜θ＜2π；
(2)若支撑板长形成的空间相位差
Figure FDA0002848438210000062
时，
1)若要实现超声沿x轴正向传播，由式(18)可知应该调节激励信号的相位差0＜θ＜π；
2)若要实现超声沿x轴负向传播，由式(21)可知应该调节激励信号的相位差π＜θ＜2π。
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