複雜型聲場的近場聲懸浮特性理論和套用研究

《複雜型聲場的近場聲懸浮特性理論和套用研究》是依託大連理工大學,由梁延德擔任醒目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：複雜型聲場的近場聲懸浮特性理論和套用研究
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：梁延德

項目摘要

在精密工程領域，為避免物料在運送和裝配過程中造成表面擦傷和被污染，需要採用非接觸輸送和裝配技術，其基礎是實現物料的精確、穩定夾持。聲懸浮技術是解決這一問題的有效手段，但目前聲懸浮理論水平無法滿足套用要求。本項目擬在現有駐波聲懸浮和近場聲懸浮理論基礎上做深入研究，採用理論研究、模態分析和實驗對比相結合的方法，構建一種基於單換能器和多個不同方向發射面組合成的複雜型聲場作為研究平台，建立相應的複雜型聲場聲輻射分布模型，建立不同形狀物體在複雜型聲場中的受力模型，重點分析側向夾持力的形成和規律。確定物體穩定懸浮條件，並據此提出不同形狀物體穩定懸浮所要求的聲場分布計算方法和形成此聲場的振動源面型設計方法。在此基礎上，研製可以實現非接觸穩定夾持不同形狀物體並能夠全方位運動的機械手。項目的研究有望解決非接觸運送和裝配的關鍵問題，為推動我國精密製造進展作出貢獻。

結題摘要

在精密工程領域，為避免在運送和裝配過程中對物料造成擦傷或污染，需要採用非接觸運輸和裝配技術，其基礎是實現物料的精確、穩定夾持。在非接觸懸浮技術中，聲懸浮是解決這一問題的有效手段之一。為將聲懸浮技術套用與非接觸夾持領域，本項目以振動理論、聲學原理和近場聲懸浮理論為出發點，採用理論研究、模態分析和實驗對比的方法，針對懸浮的穩定性和抗擾動能力進行了研究，進一步完善了聲懸浮的相關理論，並以提高穩定性為目的，設計並改進了非接觸夾持用機械手，實現了物體的穩定夾持。為了研究的順利開展，首先研究超音波近場懸浮關鍵參數測量方法和專用裝置，包括懸浮高度測量、超聲聲壓分布測量以及超音波近場懸浮物運動狀態測量方法等，這些關鍵參數的測量對驗證理論研究起到了關鍵作用。在聲懸浮理論方面，對超音波近場懸浮使用的桿盤複合振子進行了分析，推導了其振動方程和頻率方程，並通過有限元仿真和實體實驗驗證了方程的準確性；對計算懸浮力和懸浮高度的模型進行了改進，針對傳統瑞利模型未考慮懸浮物自身振動的不足，提出了新的考慮懸浮物振動的模型，實驗結果表面，新的懸浮力與懸浮高度模型的計算結果更接近於實驗測量值。在機械手設計及改進方面，首先結合實驗與現有的回覆力假說分析了回復力產生的原因及其與聲場的關係，在此基礎上分析了穩定夾持所期望的聲場分布，並以此為目標修改變幅桿結構，提出了通過邊緣減薄、降低變幅桿盤面中央區域高度和構造干涉面來增強懸浮穩定性的思路。設計了邊緣振幅增強型變幅桿、球面型變幅桿和干涉型變幅桿。並通過實驗評價和比較了各個變幅桿的穩定夾持能力，實驗結果表明，對薄片狀懸浮物而言，各個變幅桿的回覆能力較原有的桿盤複合振子均有一定程度的提高，其中邊緣振幅增強型變幅桿對直徑54mm，厚3mm的亞克力材料圓片進行懸浮夾持時，最大可以承受1m/s2的加速度，較改進前的複合振子提高了近3倍。本項目理論和實驗研究的成果表明，通過設計異形變幅桿實現產生穩定回復力的聲場，進而實現對物件的穩定夾持是完全可以實現的。研究工作的成果對精密製造領域的發展做出了一定貢獻。