Page 138 - 《应用声学》2023年第1期

134 2023 年 1 月

当辐射面振幅为30 µm、悬浮距离为100 µm时 输出端面到辐射面的放大系数约为 3.48，与设计值
两种模型对不同气体环境中悬浮力计算结果如图 3 基本吻合。
所示。

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图 3 不同气体环境悬浮力计算 图 4 换能器与变幅杆三维建模与有限元分析
Fig. 3 Calculation results of levitation forces in Fig. 4 Design and finite element method analysis
different gas environments of transducer and horn

结果表明，在声辐射压模型和流体力学模型中
将加工好的变幅杆、辐射头与换能器连接，采
悬浮力均随比热容比和气体动力黏度呈正相关趋
用阻抗分析仪 (型号：PV520A) 测得超声共振系
势变化，通过流体力学计算的悬浮力变化趋势不明
统并联谐振频率为 20.496 kHz，串联谐振频率为
显，氦气与氩气环境中悬浮力均大于其他 6 种气体， 20.397 kHz，机械品质因数为 2311.02。所采用的超
根据公式 (6) 与公式 (7) 可知当其他参数一定时悬 声波发生器为并联谐振激振驱动，系统实际工作频
浮力只与气体动力黏度相关。除氢气与氨气外不同
率为 20.449 kHz。实验中辐射面的振幅通过多普勒
气体动力黏度差异较小，基于流体力学模型对悬浮
单点式激光测振仪(型号：舜宇 LV-S01)在实验开始
力的预测小于声辐射压模型对悬浮力的预测。
前测量 [20] ，和超声波发生器的输出功率相对应，实
验过程中调节输出功率达到预设的振幅。将发生器
2 实验研究
输出调至 100% 时，通过激光测振仪测得辐射面振

近场超声悬浮装置的核心部件为功率超声振 幅峰-峰值为62 µm，与仿真结果较为一致。
动系统，包括换能器、超声波发生器、变幅杆、辐 验证气体介质与近场超声悬浮特性关系的实
射头以及悬浮面。换能器采用中科雷舜 R20-6 型号 验装置如图 5 所示，用于测量不同气体环境的悬
20 kHz 大功率压电换能器，最大输出振幅峰 -峰值 浮力。
为20 µm，最大输出功率3 kW。超声波发生器(型号： 悬 浮 面 通 过 球 铰 轴 承 (型 号： Hephaist-
中科雷舜 ResoGen-3000)最大输出功率3000 W，频 SRJ024C) 安装在力传感器 (型号：9323AAA；线
率可调节范围为19∼40 kHz，集成了信号发生器、功 性度：0.11%) 上，球铰轴承的可动部分是预压的滚
率放大器和自动谐振频率跟踪功能，可通过调节其 珠轴承构造，具有摩擦力小、高精度等特点。如果悬
输出功率控制换能器的输出振幅。 浮面倾斜则较低一侧会因与辐射面悬浮距离减小
变幅杆与声辐射头分别为半波长设计，采用 而承受更大的悬浮力，所以均匀分布的悬浮力会使
TC4 钛合金一体加工，辐射面直径为 41 mm，总放 悬浮面在悬浮过程中始终保持与辐射面平行；超声
大系数为1 : 3.5，设计最大振幅70 µm。图4(a)为换 波辐射头、辐射面、球铰轴承和压电力传感器密封在
能器与变幅杆及辐射面的装配体。 一个亚克力容器(透光率大于90%)中。力传感器通
如图 4(b) 所示，采用有限元模态分析计算得到 过连接轴杆与楔形直线模组 (型号：IKOTZ200X-4；
系统的纵向三阶共振频率为 19.952 kHz。从换能器 分解能：1.25 µm/pulse)连接。连接轴杆通过滑动密