基于近声场的超声悬浮试验

　　1　问题的引出

　　随着科技水平的不断进步和新兴交叉学科的不断涌现,在航空航天领域、高纯度材料加工、硅晶片生产线以及微电子机械系统(MEMS)装配操作等方面都对传送方式和环境提出了更高的要求,传统接触式的传送方式已经不能满足上述场合的需求。基于近场声悬浮的压电式作动器是利用近声场作用的新型驱动装置,悬浮物体的高度在几十到几百微米间,可称为NFAL(near-field acoustic levitation)现象[1],在上述需要非接触传送物质的场合有着良好的应用前景。

　　虽然实现物体悬浮的物理方法有多种,如:气动悬浮、电磁悬浮和静电悬浮等(见图1),但是利用近声场作用的悬浮技术相对其他悬浮方式有独特的优势:无机械支撑;对悬浮体不产生附加效应;对被悬浮物体没有电磁学性质上的特殊要求,原则上可以悬浮任何物质,理论上可达到比远场声悬浮更为可观的悬浮力[2]。

　　NFAL作用方式与通常的驻波声悬浮现象是不同的。首先,不需要远声场驻波声悬浮技术中用来增强驻波强度的反射器(见图2),而是以待悬浮物体作为反射器;其次,悬浮物体与声辐射源距离通常远小于K/2。本文通过设计并试制压电作动器,实测出不同悬浮重量下悬浮高度随激励电压有效值的变化关系,验证了超声悬浮的可控性。

　　2　声辐射压力

　　在实际声场中,由于声学过程的非线性,除了声压力外,声场中的物体还会受到时均不等于零的平均压力的作用,这种作用就称为声辐射压力。辐射压力理论解释是从本世纪初首先由瑞利开始,以后很多研究者不断从事研究,然而却得到两种理论结果。

　　以瑞利为首,包括Chu和Apfel等,推得的瑞利辐射压力的理论公式为[3-4]

　　其中:γ为空气的比热容比;〈E〉为声场的平均能量密度。

　　以郎之万为首包括赫兹(Hertz)和奈伯格(Ny-borg)等推出的理论公式为[3]

　　显然式(2)的瑞利辐射压力是式(1)的两倍。本文沿用日本学者Sadayuki Ueha和YoshikiHashimoto声辐射压力计算法。由Chu和Apfel提出的辐射压力公式为

　　其中:h为悬浮高度;ρa为介质的密度;v0为定子的振动速度;—为多个周期的时间平均。

　　当间距h很小,满足kh《1时,上式可近似写成

　　其中:a0为辐射端振动幅值。

　　3　压电换能器结构设计

　　文中的压电换能器是一种夹心式超声换能器,即兰杰文振子,由变幅杆、前后金属盖板及放置于中间的压电陶瓷片(通常沿纵向极化)组成,这四部分通过螺栓联接构成。前端盖及变幅杆采用低密度、高拉伸强度的硬铝材料,后端盖采用高密度的钢材料。变幅杆的主要作用是把压电换能器前端的质点速度和振幅放大,将超声能量集中在较小的面积上,即聚能作用。因此,变幅杆亦称作为聚能器,如图3所示。