超聲駐波懸浮論文：超聲駐波懸浮壓電高頻電磁懸浮無容器熔煉非接觸冷卻

【關(guān)鍵詞】超聲駐波懸浮壓電高頻電磁懸浮無容器熔煉非接觸冷卻【英文關(guān)鍵詞】Ultrasonicstandingwavelevitationpiezoelectricelectromagneticlevitationcontainerlessprocessingnon-contactcooling超聲駐波懸浮論文：超聲駐波懸浮及材料無容器處理研究【中文摘要】本文在深入分析壓電超聲換能器及超聲駐波聲場的基礎(chǔ)上，設(shè)計了超聲駐波懸浮裝置，并對各種材料進(jìn)行了懸浮實驗。在此基礎(chǔ)上，本文用激光加熱的方式對超聲駐波懸浮的鉛錫焊絲進(jìn)行了非接觸加熱和凝固，同時構(gòu)建了超聲駐波/高頻電磁混合懸浮實驗裝置，用超聲駐波懸浮的方法來懸浮支撐經(jīng)過高頻電磁懸浮熔煉后的熔融態(tài)金屬。簡要闡述了聲懸浮技術(shù)的發(fā)展，論述了聲懸浮技術(shù)的研究現(xiàn)狀；介紹了高頻電磁懸浮技術(shù)，包括電磁懸浮的原理和應(yīng)用以及電磁懸浮樣品冷卻凝固時存在的問題，在此基礎(chǔ)上，提出了本文的研究內(nèi)容—設(shè)計聚焦式超聲駐波懸浮裝置，利用超聲駐波懸浮的方式來懸浮支撐經(jīng)過高頻電磁懸浮熔煉后的熔融態(tài)金屬，來解決冷卻凝固的問題。并提出了本文的主要研究內(nèi)容。從壓電效應(yīng)入手，簡單介紹了壓電材料、壓電方程和壓電陶瓷的各種性能參數(shù)，為設(shè)計壓電換能器打下基礎(chǔ)。分析了理想媒質(zhì)中聲波傳播時的波動方程，有助于我們理解超聲駐波聲場，在此基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了超聲駐波聲懸浮力，指出聲懸浮力在縱向坐標(biāo)方向上是按正弦規(guī)律變化的，并與輻射端振幅、聲壓、媒質(zhì)密度等參數(shù)有關(guān)系。理論預(yù)測了超聲駐波懸浮的穩(wěn)定懸浮位置。介紹了壓電超聲換能器的相關(guān)理論知識，根據(jù)實驗的需要我們選用PZT-8作為超聲駐波換能器的壓電材料，同時選擇了換能器前后蓋板的材料。在壓電超聲換能器結(jié)構(gòu)設(shè)計理論的基礎(chǔ)上，對超聲駐波懸浮用壓電換能器的尺寸進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計，并設(shè)計和制作了兩級變幅桿。為了增大超聲輻射的面積，將變幅桿的輻射端的直徑進(jìn)行了放大，并用ANSYS軟件對其振型進(jìn)行了模態(tài)分析，結(jié)果表明實際振動頻率與設(shè)計頻率的誤差為3.35%，可以滿足實驗的要求。在ANSYS模態(tài)分析中，還得到了壓電換能器的位移變化圖和位移矢量圖，可以看出在變幅桿輻射端的振速是最大的，換能器的能量大部分從前端輻射出去。針對輻射端與反射端均為凹球面形狀的超聲換能器進(jìn)行了優(yōu)化分析，在ANSYS軟件中繪出壓電換能器的模型，然后仿真得到超聲駐波場的聲壓，比較不同凹球面直徑下的聲壓值，得到了駐波聲場聲壓值最大時的凹球面直徑。通過ANSYS軟件和Matlab軟件聯(lián)合仿真，根據(jù)時間平均勢的概念，得到了駐波場中相對時間平均勢的分布圖，理論預(yù)測了樣品在駐波場中的穩(wěn)定懸浮位置。通過相對時間平均勢的分布圖，可以預(yù)見回復(fù)力的存在。制作了超聲駐波懸浮裝置，并用精密電子秤對超聲駐波輻射力進(jìn)行了測試，得到了輻射力與輻射端和反射端間距之間的關(guān)系；對不同的材料分別在不同的間距下進(jìn)行了超聲駐波懸浮，樣品的懸浮位置同理論預(yù)測的基本一致，在物體的懸浮實驗中，還觀測到了不同的懸浮位置的懸浮能力是不一樣的；用激光加熱的方式對超聲駐波懸浮的鉛錫焊絲進(jìn)行了非接觸熔煉；制作了高頻感應(yīng)器，5mm的鋼球可以在其中進(jìn)行穩(wěn)定的懸?。粯?gòu)造了超聲駐波/高頻電磁混合懸浮熔煉實驗裝置，并用該裝置對鋼球進(jìn)行了無容器非接觸加熱和凝固，說明用超聲駐波懸浮方式可以用來懸浮支撐經(jīng)過高頻電磁懸浮熔煉后的熔融態(tài)金屬，達(dá)到完全徹底對金屬進(jìn)行非接觸熔煉的。對本文所作的研究工作進(jìn)行了全面的總結(jié)，結(jié)合實驗結(jié)論，給出了本文的研究結(jié)論；最后針對本文所制作的超聲駐波/高頻電磁混合懸浮裝置存在的問題，提出了建議和設(shè)想，為后續(xù)的研究工作做一個鋪墊?！居⑽恼縏hispaperdesignedandmanufacturedultrasonicstandingwavelevitationdevicebasedondeepanalysesofpiezoelectrictransducerandultrasonicstandingwavefield.Severalsamplesarelevitatedinthelevitationdevice,uponwhichlead-tinweldingwireisheatedbyalaserbeamwhenitissuspendedinstandingwavefield.Experimentalequipmentofcombinationofstandingwavelevitationdeviceandelectromagneticlevitationsetupisstructured,onthebasisofwhichthemoltenmetalmeltbyelectromagneticlevitationwithoutanycontactiscooledtosolidlevitatedbyultrasonicstandingwave.Thedevelopmentofacousticlevitationisbrieflystatedanditsresearchstatusisintroduced.Illustratetheprincipleandapplyofelectromagneticlevitation.Thenpresenttheproblemsofelectromagneticlevitationwhenthemolteniscooled.Tothisquestion,thispaperputsforwardamethodthatthemoltencontactlesslyprocessedbyelectromagneticlevitationissupportedbyacousticforceandcooledtosolidintheultrasonicstandingwavefield.Piezoelectriceffect,equationandsomeperformanceparameterofpiezoelectricceramicsarespecified,whicharegroundworkfortransducerdesigning.Thenanalysewaveequationanditcanhelpusknowstandingwavefield.Moreover,derivestandingwavelevitatingforceformulafromwhichweknowtheforceischangingassineequationwithzdirection.Theradiationforce,whichcanpredictstablelevitatedposition,isrelativetoamplitude,acousticpressureanddensityofmedium.ThetheoriesofpiezoelectrictransducerarediscussedandPZT-8ischosenaspiezoelectricmaterial.Alsoselectmaterialsforfrontandbandcoverplatesrespectively.Afterwards,thetransducerwithtwoamplitudetransformersisdesigned.Inordertoincreaseradiationareas,enlargethebottomoftheamplitudetransformer,forwhichmodelanalysisisdone.Asaresult,actualfrequencyislower3.35%thandesignandthatitmeetsrequirement.MoreoverInmodelanalysis,theregetdisplacementchangingchartanddisplacementvectorchart,fromwhichwecanseethatthevelocityoftheradiationpartisthemaxandthevastmajorityofenergyisradiatedoutfromtheradiationpart.ThemodelthatthesurfacesofradiationandreflectionaresphereisoptimizatedwithANSYSsoftware.Drawthemodelandgettheacousticpressurewithharmonicanalysis.Comparedtheacousticpressureoftransducermodelswithdifferentsphereradius,wecangetthemaxacousticpressurewithonesphereradiusandthissphereradiusisperfect.Relativetime-averagepotentialprofilepresentedwithANSYSandMatlabsoftware,fromwhichthestablelevitatedpositionandrestoringforcecanbepredicted.WiththeoptimizationofChapterFour,standingwavelevitationdeviceisstructured.Radiationforceistestedbyelectronicprecisionscaleandtherelationshipofradiationforceandthediatanceofradiationandreflectionisdescribed.Thenparticlesofdifferentmaterialsareexperimentedtolevitateindifferentdistanceofradiationandreflection,whicharesimilartothepredictionofanalysis.Anddisparatenodehasdifferentlevitationability.Moreover,lead-tinweldingwireisheatedbylaserbeamwhenitissuspendedinstandingwavefield.Also,highfrequencyheatinginductorismanufacturedandsteelballofdiameter5mmcanbelevitatedsteadilyinelectromagneticfield.Finally,appliancecombinedbyultrasonicstandingwavelevitationdeviceandelectromagneticlevitationsetupisbuilt,withwhichsteelballisheatedandcooledwithoutanycontact.Itisfeasiblethatthefusionmeltbyelectromagneticlevitationcanbecooledtosolidbyultrasonicstandingwavelevitation.Summarizewhatwehaveresearchedandpresentconclusionswithexperimentresults.Putforwardadvicesandopinionsfortheproblemsofthecoupleddevice,whichpavethewayforfurtherresearch.【目錄】超聲駐波懸浮及材料無容器處理研究

摘要

5-7

ABSTRACT

7-8

第1章緒論

11-19

1.1引言

11

1.2聲懸浮技術(shù)概述

11-15

1.2.1近聲場懸浮

12-13

1.2.2駐波懸浮

13-14

1.2.3駐波懸浮國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

14-15

1.3電磁懸浮技術(shù)概述

15-17

1.3.1電磁懸浮的原理

15-16

1.3.2電磁懸浮熔煉的凝固

16-17

1.3.3電磁懸浮熔煉凝固時存在的問題

17

1.4本文的主要研究內(nèi)容

17-19

第二章超聲駐波聲懸浮基礎(chǔ)理論

19-35

2.1壓電學(xué)基礎(chǔ)

19-23

2.1.1壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)

19

2.1.2壓電材料

19-20

2.1.3壓電方程[48]

20-21

2.1.4壓電陶瓷的性能參數(shù)

21-23

2.2理想媒質(zhì)中的波動方程

23-26

2.2.1一維波動方程

23-25

2.2.2三維波動方程

25

2.2.3速度勢

25-26

2.3駐波懸浮聲輻射力

26-32

2.3.1問題的描述和邊界條件

26-27

2.3.2波動方程的通解

27-28

2.3.3邊界條件的應(yīng)用

28-29

2.3.4球體表面聲壓變化量的確定

29-30

2.3.5懸浮力

30-32

2.4球體穩(wěn)定懸浮位置的確定

32-34

2.4.1零重力環(huán)境下的懸浮

32-33

2.4.2重力環(huán)境下的懸浮

33-34

2.5小結(jié)

34-35

第三章聚焦式超聲壓電換能器設(shè)計

35-51

3.1壓電換能器概述

35-39

3.1.1壓電換能器的應(yīng)用

35

3.1.2壓電換能器的類型

35-37

3.1.3壓電換能器的振動模態(tài)

37-38