复杂型声场的近场声悬浮特性理论和应用研究

在精密工程领域，为避免物料在运送和装配过程中造成表面擦伤和被污染，需要采用非接触输送和装配技术，其基础是实现物料的精确、稳定夹持。声悬浮技术是解决这一问题的有效手段，但目前声悬浮理论水平无法满足应用要求。本项目拟在现有驻波声悬浮和近场声悬浮理论基础上做深入研究，采用理论研究、模态分析和实验对比相结合的方法，构建一种基于单换能器和多个不同方向发射面组合成的复杂型声场作为研究平台，建立相应的复杂型声场声辐射分布模型，建立不同形状物体在复杂型声场中的受力模型，重点分析侧向夹持力的形成和规律。确定物体稳定悬浮条件，并据此提出不同形状物体稳定悬浮所要求的声场分布计算方法和形成此声场的振动源面型设计方法。在此基础上，研制可以实现非接触稳定夹持不同形状物体并能够全方位运动的机械手。项目的研究有望解决非接触运送和装配的关键问题，为推动我国精密制造进展作出贡献。

在精密工程领域，为避免在运送和装配过程中对物料造成擦伤或污染，需要采用非接触运输和装配技术，其基础是实现物料的精确、稳定夹持。在非接触悬浮技术中，声悬浮是解决这一问题的有效手段之一。为将声悬浮技术应用与非接触夹持领域，本项目以振动理论、声学原理和近场声悬浮理论为出发点，采用理论研究、模态分析和实验对比的方法，针对悬浮的稳定性和抗扰动能力进行了研究，进一步完善了声悬浮的相关理论，并以提高稳定性为目的，设计并改进了非接触夹持用机械手，实现了物体的稳定夹持。为了研究的顺利开展，首先研究超声波近场悬浮关键参数测量方法和专用装置，包括悬浮高度测量、超声声压分布测量以及超声波近场悬浮物运动状态测量方法等，这些关键参数的测量对验证理论研究起到了关键作用。在声悬浮理论方面，对超声波近场悬浮使用的杆盘复合振子进行了分析，推导了其振动方程和频率方程，并通过有限元仿真和实体实验验证了方程的准确性；对计算悬浮力和悬浮高度的模型进行了改进，针对传统瑞利模型未考虑悬浮物自身振动的不足，提出了新的考虑悬浮物振动的模型，实验结果表面，新的悬浮力与悬浮高度模型的计算结果更接近于实验测量值。在机械手设计及改进方面，首先结合实验与现有的回复力假说分析了回复力产生的原因及其与声场的关系，在此基础上分析了稳定夹持所期望的声场分布，并以此为目标修改变幅杆结构，提出了通过边缘减薄、降低变幅杆盘面中央区域高度和构造干涉面来增强悬浮稳定性的思路。设计了边缘振幅增强型变幅杆、球面型变幅杆和干涉型变幅杆。并通过实验评价和比较了各个变幅杆的稳定夹持能力，实验结果表明，对薄片状悬浮物而言，各个变幅杆的回复能力较原有的杆盘复合振子均有一定程度的提高，其中边缘振幅增强型变幅杆对直径54mm，厚3mm的亚克力材料圆片进行悬浮夹持时，最大可以承受1m/s2的加速度，较改进前的复合振子提高了近3倍。本项目理论和实验研究的成果表明，通过设计异形变幅杆实现产生稳定回复力的声场，进而实现对物件的稳定夹持是完全可以实现的。研究工作的成果对精密制造领域的发展做出了一定贡献。