[發明專利]一種多物理環境可控的聲懸浮實驗裝置

在審

• 申請號: 201710997754.2
• 申請日: 2017-10-24
• 公開（公告）號: CN107591066A
• 公開（公告）日: 2018-01-16
• 發明（設計）人: 臧渡洋;李立欣;李旭;高昂
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G09B23/14
• 分類號: G09B23/14
• 代理公司: 西北工業大學專利中心61204
• 代理人: 顧潮琪

技術領域

本發明屬于功率超聲非接觸技術，涉及一種實驗溫度、濕度和壓強可控的多變幅桿自動聲懸浮科研實驗裝置。

背景技術

隨著材料工業的高速發展，對制備新型材料的物理環境要求也越來越高。全方位的進行科研實驗往往需要將實驗對象在不同物理環境下進行觀測。聲懸浮技術的出現及其近年來的飛速發展，為上述的實驗環境與測量提供了新的思路和可能。

聲懸浮是在重力或微重力空間利用強駐波聲場中產生的聲輻射力與懸浮樣品重力相平衡，而使懸浮樣品穩定懸浮在聲場中的一門新興技術。它是高聲強條件下的一種非線性現象。因為對懸浮樣品沒有電磁學性質的一些特殊要求，理論上可以懸浮各種性質的材料，而且不附加熱效應，所以受到人們的青睞。聲懸浮可以模擬空間環境中的無容器狀態，避免了坩堝對材料表面的接觸與污染，對研究晶體形核和制備高純物質等具有重要的價值。在超聲減摩、無容器處理、非接觸超聲馬達、高精度加工、研究新型材料等方面都有廣泛的應用。

單軸式聲懸浮器，其主要由超聲波發生系統和單軸式聲懸浮系統組成。其中，超聲波發生系統又由超聲波發生器及換能器組成。超聲波發生器是一個超音頻電信號的功率源，其作用是將交流電轉變為超聲頻電功率輸出，為整個系統提供振動能量。換能器的作用是將超聲波發生器產生的超音頻電振蕩信號轉換為機械振動。單軸式聲懸浮系統則主要由變幅桿、聲發射端、聲介質(空氣)、懸浮樣品和聲反射端等組成。變幅桿的主要作用有兩個：一是將機械振動的位移或速度振幅放大，或者把能量集中在較小的輻射面上，即聚能作用；另一個作用是作為機械阻抗的變換器，使超聲能量由超聲換能器更有效地向負載傳輸。其中聲發射端與聲反射端軸線與重力方向一致，通過聲發射端與聲反射端形成一個諧振腔，利用聲輻射力抵消作用在樣品上的重力來實現樣品懸浮。通過調節與變幅桿連接的聲發射端與聲反射端之間的距離，以便使振動源與介質達到最佳耦合，使介質處于諧振狀態。從而使待懸浮的樣品懸浮在聲介質中的駐點位置。通過微調聲反射端的位置，改變聲發射端-反射端之間的距離，可以一定程度上改變懸浮樣品所受的聲輻射力大小。

盡管聲懸浮裝置的研制已經有了一些進展，其中包括西北工業大學的寧方立、韋娟依等人發明的《單軸式聲懸浮裝置》(專利公開號為CN101093190)，針對基本的科研懸浮實驗進行設計，實現了懸浮更大密度的樣品；吉林大學的江海、李敏嬌等人發明的《一種超聲波加熱懸浮裝置》(專利公開號為CN106477333A)，可以適當性的改變諧振腔溫度，通過對懸浮環境加熱來研究溫度對懸浮性能的影響。但是現有的專利設計過于簡單，實驗條件單薄，不能夠滿足綜合性更強的科學實驗。例如，針對氣溶膠類懸浮樣品的觀測需要盡可能多的改變實驗的物理環境，例如溫度、濕度和壓強等來研究不同環境參數變化對懸浮性能的影響，確保工業生產中產品能適應各種環境或者避免因為環境的變化而對產品的性能造成影響；針對待懸浮樣品種類的差異(固體、液體或者兩者混合物等)，應用場合的不同(功率不同，頻率不同等)，往往需要選擇不同類型的變幅桿(階梯型、圓錐型和指數型等)來達到一個最優的效果；就觀察型實驗而言，實現對懸浮樣品動態連續的形態變化觀察十分必要，有助于發現懸浮樣品在不同物理環境下的變化。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明提供一種多物理環境可控的聲懸浮實驗裝置，能夠滿足不同物理實驗環境需求，同時根據不同待懸浮樣品任意選擇不同類型變幅桿。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種多物理環境可控的聲懸浮實驗裝置，包括支撐底座、支撐桿、氣壓表、超聲波發生器、換能器、轉換器、階梯型變幅桿、圓錐形變幅桿、指數型變幅桿、聲反射端、電動升降平臺、加濕器、透明耐壓罩、加熱管、溫度傳感器和濕度傳感器。

所述的支撐底座與透明耐壓罩密封連接，形成一個密閉的空腔；在該空腔內，所述的電動升降平臺安裝在支撐底座上，通過電機驅動帶動電動升降平臺上的聲反射端上下移動；所述的換能器通過支撐桿固定在支撐底座上，超聲波發生器的輸出端連接換能器，換能器下端連接轉換器，轉換器上安裝有階梯型變幅桿、圓錐形變幅桿和指數型變幅桿，通過轉換器的運動，確保其中一個變幅桿與換能器的輸出端同軸，且該變幅桿的聲發射端正對聲反射端；所述的空腔內還安裝有加濕器、加熱管、氣壓表、溫度傳感器和濕度傳感器，還開有連通外界或輸氣裝置的通氣孔。

所述的電機、加濕器和加熱管通過遙控器實現非接觸控制或通過單片機實現程序控制。

所述的支撐桿為中空柱體，超聲波發生器的電源走線通過支撐桿連接到底座，并通過在底座中走線與電源箱相連。