（机械电子工程专业论文）基于二维简正模式mems超声分离器的设计与流场仿真研究.pdf

擒要 摘要 流体中的声场会对声速和密度不黼予流体的懋浮颗粒产生辐射力，控制流体 孛的辐j l 童力分布麓馒颗糙移动到特定位置，匿此超声波可以董警舞耪物理方法来 分离流体中的悬浮颗粒。由于微机电系统( m e m s ) 的结构特点，很多常规的分离 方法帮设各受到了各种的限制，露超声分离方法却塞予非接皴、遥操控分离的特 点，在微流体巾具骞极大酶潜在应蔼徐镬，受到越来越多人镌豹关注。 m e m s 超声分离器是利用超声辐射力来控制和移动微流体中悬浮颗粒从煎实 现流粒分离麴装菱，霹黻壹接瘦露在各释经漉型的分离过程孛。零文根据微分离 器的多层谐振结构模型，结合声辐射力相关理论期封闭腔体的简正波理论，设计 了一种基于二维篱歪模式蕤m e m s 超声分离器，并对其进行了薅真傀毽。圭簧态 容为： 1 撩据声辐蒜力的产生机理及流体书悬浮颗糙所受声辍瓣力，研究了利孀平 面驻波分离流体幸悬浮颗粒靛理论方法。奔缨了徽分离器游多层谐振结构模型藕 超声波在多层介质中传播的情况，利用声电类比分柝了微分离器的声电等效电路， 并觋究了基于平面驻波模式熬m e m s 怒声分离器特赢。 2 研究了微分离腔体的篱芷振动模式，分析了徽分离腔简正模式下颗粒的汇 聚特性；缝合典型戆多屡谐振结构模型，设计了基予二维篱芷模式数m e m s 超声 分离器的具体结构，并研究了微分离器= 维简正模式的激发问题，搬出了种双 压电片串联反攘激发的结构模型；糕瘸a n s y s 软伴对微分离器的横截蘧进行了声 场待冀，证餐了微分离腔中二缝简正模式孵声辐瓣力作用效果，并对_ 比了不黼激 发方式和边壁条件下微分离腔中声场分布的变化。 3 借韵g a m b 疆和f l u e n t 软律磷究了徽分离器流腔中层流形成与导鎏斡 过程，并对比了 不同流腔中流体的流动状态。最詹，结合微分离器的制作工芑， 完戏了徽分离器麓鏊嚣设计。 关键谲：声辐射力，筒芷振动，怒声分离，悬浮颖粒，m e m s a b s t r a c t a b s 瞰c t p a r t i c l e ss u s p e n d i n gi nf l u i ds u f f e ra c o u s t i cr a d i a t i o nf r o mt h ed i f f e r e n tp h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i c ( v e l o c i t ya n dd e n s i t y ) b e t w e e n 唧铋d e dp a r t i c l ea n dh o s tl i q u i d ，a n d p a r t i c l e sm a yb em o v e dt os p e c i a lp o s i t i o n sw i t hc e r t a i ns p a t i a ld i s t r i b u t i o no ft h e a c o u s t i cr a d i a t i o nf o r c e s i ts h o w st h ec l u et h a tu l t r a s o u n da c t sa sa p h y s i c a la p p r o a c ht o s e p a r a t es n s p e n d e dp a r t i c l e si nt h ef l u i d 。i nam i c r od e v i c es u c ha sm e m s ( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ) ，m o s to fc o n v e n t i o n a lp r o c e s s e sa n dd e v i c e sf o rr e m o v i n g s m a l lp a r t i c l e sf r o mal i q u i da r ei n c o n v e n i e n t h o w e v e r , s e p a r a t i o n 丽mu l t r a s o u n di s v a l u a b l ew a ya san o n - c o n t a c tm a n i p u l a t i o nm e t h o di nm i e r o m a c h i n e s t h e r ei sag r e a t p o t e n t i o n a la p p l i c a t i o ni nm i c r o f l u i d i cs y s t e mf o ru l t r a s o n i cs e p a r a t i o n , s ot h a tt h e r ea l e m o r ea n dm o r ep e o p l et os p e n de f f o r to ni t 髓em e m su l t r a s o n i cs e p a r a t o ri sad e v i c ew h i c hm a yc o n t r o la n dm o v e s u s p e n d e dp a r t i c l e si nf l u i db ya c o u s t i cr a d i a t i o nf o r c e s ，a n di tm a yb ed i r e c t l yu s e di n f l o w - t h r o u g hs e p a r a t i o np r o c e s s e s a c c o r d i n gt om u l t i l a y e rs 舡1 l c n l r em o d e lo fm i c r o s e p a r a t o r , t h et h e o r yo fa c o u s t i cr a d i a t i o nf o r c e sa n dt h en o r m a lv i b r a t i o np r i n c i p l e ，a m e m su l t r a s o n i cs e p a r a t o rb a s e do nt w o - d i m e n s i o n a ln o r m a lm o d e si sd e s i g n e di nt h i s p a p e r 弧es i m u l a t i o no ft h es e p a r a t o ri sc a r r i e do u tf o ro p t i m i z a t i o n 明”m a i nc o n t e n t s a r ea sf o l l o w s ： 1 f r o mt h et h e o r ya b o u ta c o u s t i cr a d i a t i o nf o r c ea n dt h ef o r m u l a , t h es e p a r a t i o n t e c h n i q u ew i 氆p l a n eu l t r a s o n i cs t a n d i n gw a v ei ss t u d i e d 。a n di ti so p e r a t e dt oa n a l y z e t h es t r u c t u r em o d e lo fm u t il a y e r e dr e s o n a t o rf o ru l t r a s o n i cs e p a r a t i o na n dt h e t r a n s m i s s i o no fu l t r a s o n i ci nm u l t im e d i u m n ee q u i v a l e n tc i r c u i to fm i c r os e p a r a t o ri s p r e s e n t t h ec h a r a c t e r i s t i co fm e m su l t r a s o n i cs e p a r a t o rb a s e do np l a n es t a n d i n gw a v e i sd i s c u s s e d 。 2 t h en o r m a lv i b r a t i o nm o d e so fm i c r os e p a r a t o r sc h a m b e ra r ei n t r o d u c e d a n d t h ec h a r a c t e r i s t i co fp a r t i c l e s a g g l o m e r a t ei nc h a m b e ri sa n a l y z e d am e m su l t r a s o n i c s e p a r a t o rb a s e do nt w o - d i m e n s i o n a ln o r m a lm o d e si sd e s i g n e dt or e m o v ep a r t i c l e sf r o m l i q u i d t h i ss e p a r a t o ro p e r a t e so nt h et y p i c a ls t r u c t u r em o d e lo fm u l t il a y e r e dr e s o n a n c e , a b s t r a c t a n dt h ee x c i t a t i o nm e t h o d so ft h es e p a r a t o ra r ed i s c u s s e d an o v e lw a yi sg i w nt oe m i t u l t r a s o n i cw i t hr e v e r s ep h a s ef o r md o u b l ep z tt r a n s d u c e r si ns e r i e s t h es p a t i a l d i s t r i b u t i o no fa c o u s t i cp r e s s u r ei ss i m u l a t e di nt h ec r o s s s e c t i o no ft h em i c r os e p a r a t o r w i t ha n s y ss o i 专w a r e i ti sv a l i d a t e dt h a tt h et w o d i m e n s i o n a ln o r m a lm o d e sa r e e x i s t e di nt h em i c r os e p a r a t o rc h a m b e r a l s o ，t h es e r i e so fs p a t i a ld i s t r i b u t i o no f a c o u s t i cp r e s s u r ei sp u tf o r w a r dw i t he x c i t a t i o nm e t h o da n ds i d e - w a l lc o n d i t i o n so ft h e m i c r os e p a r a t o r 3 t h ep r o c e s so fl a m i n a rf l o wi ss i m u l a t e dw i t hg a m b i ta n df l u e n ts o f t w a r e , a n dt h es e r i e so ff l o wr e g i m ea n a l y s i sa r ep r e s e n tw i mc h a n n e l a tl a s t ，am e m s s e p a r a t o rw i t ht w o d i m e n s i o n a ln o r m a lr e s o n a n tm o d e si sd e s i g n e dt os u i tt h em i c r o f a b r i c a t i o n 。 k e y w o r d s ：a c o u s t i cr a d i a t i o nf o r c e ，n o r m a lv i b r a t i o n ，u l t r a s o n i cs e p a r a t i o n ，s u s p e n d e d p a r t i c l e , m e m s i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其毪入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书丽使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 2 0 孵年月，日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阕。本入授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 傈密的学位论文在解密后应遵守此规定 签名：滥导师签名：鲣 日期：酃年胃f f 日 第一章绪论 1 。1 课题研究的意义 第一章绪论 随着微电子技术和微制造技术的迅速发展，越来越多的科研方向指向了微观 领域。微机电系统( m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ，m e m s ) 作为人类认识微观 领域的一种高新科技，涉及至l 多门技术学科，具有微型化、智链化、多功能、集 成度高和适合大批量生产的特点。因此，微系统产品能达到人类以前无法达到的 许多领域，具有广阔的应用前景。 微机电系统在流体中的应用潜力非常诱入，而液固分离技术作为微流体系统 孛重要的基础技术，越来越受到人们的重视。微流体系统的液固分离技术主要应 用在微流路的净化，轻便微生化分析中样品的预处理，微化工中有害颗粒的过滤 和生物医学研究中分离培养液中的细胞等【i 2 】。 在宏观领域中，分离静方法多种多样，它们都工作于相应的物理规律。常用 的如利髑液粒闻自然密度差的离心分离法，利用重力或惯性力的沉淀分离法，选 用不同规格和类型网膜的过滤分离法，或者采用凝聚、吸附等方法。但是，在微 观尺度下，颗粒表面的摩擦力和流体的表面张力等面积力成为影响颗粒和流体运 动的主导因素，其次，微尺度下不侵制造带有运动部件的分离结构。因此，传统 的分离原理和设备在微流体的分离中受到了各种的限制，分离的效果也并不理想。 近年来，利用超声场来分离悬浮液中颗粒或气泡的方法向人们展现了一种非 接触式的新分离方式，受到了越来越多的关注 3 4 5 】。流体中的声场会对声速、密 度等不同于流体的悬浮颗粒产生一个时阀平均的辐射力，这秘分离方法就是利用 超声波对悬浮颗粒的声辐射力来控制颗粒运动，从而实现颗粒的分离。较传统的 分离技术，超声分离的方法主要有以下几个重要特点： ( 1 ) 菲接触性 利用声辐射力的分离方法具有非接触、遥操控的特点，这种分离方法不存在 空间尺寸的约束，也无接触带来表面力的影响。所以，在微系统的应用较传统分 离方法更具有优势。 ( 2 ) 连续高效的分离 因为微流道中的悬浮颗粒比较细小，传统的离心沉淀法不但分离困难而且能 电子辩技大学硕士学位论文 耗较大，过滤分离则须常常清理或更换过滤网( 膜) 从而影响了分离的连续性。 翻用超声波分离的方法是将悬浮颗粒汇聚在预定层，通过不嗣的流道将洁净流和 混浊流方便豁分离开来，实现了颗粒连续、蔫效帮快速的分离。 ( 3 与m e m s 制造方便兼容 压电陶瓷是m e m s 和微系统中常用的非导体材料，具有优良的频率特性和响 应速度，易予微型纯弧霸。而且，作为发射超声波的压电陶瓷在制造工艺上与m e m s 能方便兼容，具有较重要的应用意义。 综上所述，利用声辐射力分离悬浮颗粒的方法较传统的分离技术在m e m s 层 次上有着更独特的优势，可以方便、连续帮高效的分离微流体中的悬浮颗粒，具 有极大的潜在应用价值。特别是隧着生物医学和徽化工技术对人类社会的影响作 蔫不断热强，其社会效益耪经济价僮更是无法估量。 。2 超声分离技术的发震概况 1 ，2 1 声辐射力的研究与应用 巍声波在含有悬浮粒子的流体媒质中传播时，由于流体和颗粒具有不同的振 动速度，所以悬浮颗粒会受到周围媒质的流体动压力。在线性声学薄畴，由于声 波动的属期性，这些力的时闯平均值为零。但是，在高声强翦条俘下，声波的菲 线性效应将越来越臻显，并在声辐射压中弓l 起一个葚 线性项，这一项的时间平均 值具有豳定的方向和大小，从而产生了声辐射力【8 】。 早在1 9 3 4 年，通过对物态方程和动量方程的三阶近似，鼯n 毋9 】就得出了理想 流体中豹二阶声压方程，并推导是了流体中剐性小球厨受声辐射力的大小。隧爱， 西本魄y o s i o k a 和k a w a s i m a e l 0 1 在k i n g 的理论基础上进一步推导了有限压缩小球所 受的声辐射力，并通过实验得到了验证。基于流体动力学理论，g o r k o v h 】也推导 了声辐射力的计算方法，它在平藤行波和驻波场与k i n g 的公式等价，不但方法更 为篱单蕊且适用于任意形式的声场。 根据声辐射力公式，在相同熙频率下，悬浮颗粒在驻波场中所受的声辐射力 远远大于行波场中的受力，而且，在驻波场中颗粒的汇聚面一般为声场的波节和 渡菔缝，所以，声辐射力酶应用般都在高频率的声驻波场下迸行。 对于高强度的驻波场来说，它所产生的声辐射力鼍参常惊人，甚至可以克服地 球引力将颗粒或液滴悬浮在特定的位置。所以，这种罩# 接触式的控制方法在声悬 2 第一章缝谂 浮技术和微粒的控制等方面有很好的研究价值。其中，圜内西北工业大学的魏炳 波、解文军【1 2 1 在声悬浮的设计优纯窥应用方面进行了深入麴磷究；浙江大学的耪 克黾、张宝藏对幂j 篇声辐射力遥操纵徽构件的方法进行了研究和实验。 刹用声辐射力分离流体中懋浮颗粒鲶方法作必声辐射力应用的分支逛正在露 益发展，尤萁是在微观领域的分离中具有很好酌发展前景。以前，超声波产燕的 辐射力由于驱动器件的原因相对较弱，蹴频超声波最能提高能量但使颗粒的汇聚 筮萋缀运，掰骥骧翻了超声分离技术在一般设蓄上戆瘟焉，篷嚣方霪家在就领域 的研究工作一搬在不断深入。特别是近2 0 多年来，顺应生物和医疗技术发展的需 要，加上毫子技寒帮驱动器粹水平的提菇，裂爱超声波对悬浮颗粒进行分离处避 薛残耀基础研究，在欧洲、美蓬和目本都得到了空前重视，至少作为实验室技术 已展拳了极大靛应用徐型n l 引6 1 。 溺内关于越声分离方法研究的有东北大学的鑫晓清等，开展过运用超声波对 悬浮微粒的凝聚去除实验研究，并对电功率、频率、流量、作用时湖等几个相关 量送行了瓣量【1 7 , 1 8 ，无锈轻工丈学戆石秀系奔缙过熟焉超声波凝蒙分离翡n 理v 9 1 。 2 + 2 超声分离蓄嚣的研究与发展 超声分离瓣可以被定义为蹦一种利用超声辐射力来控制和移动流体腔中悬浮 鬏粒，麸褥实现滚棼颗粒努塞觞装置抒。它麴结构嚣常篱单，流腔蠹帮无霹移动麓 部彳牛，分离的能量来源予流体腔中的超声驻波场，是一种嚣接触式的遥控分离设 备，可以直接感用在各种经流型的分离过程中。 嚣外关于怒声分离器的研究和实验魄较丰富，2 0 0 0 年，英翻s o u t h a m p t o n 大 学的h i l l 褪w o o d 提逝了种经流型的超辫分离结构模型，辩铡作了试验设备闶， 翔蚕1 - t 拳。饿稍提出了分离器酶尼静等效分辑模型，对影蛹鬏粒分离翡裰关辫 素作了研究，并对比了不同流口的分离效果。但该分离腔的商度为5 0 r a m ，而超声 波工律频率达1 m h z ，霆魏颗粒姆汇蒙耍较密集，不藕予颗粒蕊分离。 隧后，美潮i d a h o 大学的a n d e r s o n 等采用不锈铜和玻璃材料，铡作了一个宽 冀2 9 。2 r a m ，深隽5 5 9 m m 谐振腔的超声分离器酬，如图童心示。谐掇腔是在毫米 尺度上用切削方法加工黼成，其超声波的z 作频率为6 1 4 k h z 。该实验观察到颗粒 在超声驻波场下能被汇聚蠹两屡，证实了分离的可行牲。 英匿c a r d i f f 大学懿h a w k e s 鞠c o a k l e y 也采篇不锈镶簿材耩，设计了一个燹 微小的基于层流的颗粒分离器【2 2 1 ，如图1 - 3 示。当混合液流经超声波谐振腔时确 3 电子科技大学硕士学位论文 保处于稳定层流状态，利用超卢辐射力，悬浮颗粒被移动到特定层，按所在层的 位置用斜面将清、浊流分别引出。该分离器的谐振腔尺度尽管较小，但依靠传统 切削加工、装配而成的分离器整体结构复杂，使得其体积成倍增大，限制了其发 展应用。 一j 竺! 一一 图1 - 1h i l l 的经流型超声分离设备 图l - 2a n d e r s o n 的超声分离器 随着微机电制造技术的不断发展，英国s o u t h a m p t o n 大学的h i l l 和c a r d i f f 大 学的h a w k e s 等于2 0 0 3 年合作制成了一个基于m e m s 技术的超声分离器，如图 卜4 示。该分离器由硅片和p y r e x 玻璃制成，结构非常简单。分离器的谐振腔高仅 2 4 0 a m ，超声场的工作频率为3 m h z ，能实现连续的颗粒分离，为真正意义上的 第一章绪论 m e m s 流体器件。关于这个超声分离器的原理和特点，将在第三章中介绍 * * 自口 圉1 3h a w k e s 基于层流的超声分离器 3 本文的研究内容 图1 4h i l l 基于m e m s 的超声分离器 以上介绍了超声分离技术的研究意义和发展概况，针对微流体系统下的颗粒 分离问题，该技术有着更好的分离效果和特性，是一种很有应用前景的分离方法。 本文内容属于国家自然科学基金项目 m e m s 中基于多模谐振的超声波悬浮颗粒 分离方法研究( 5 0 6 7 5 0 3 1 ) ，针对目前超声微分离器的研究现状，进行以下几个 方面的研究： 鬻 一 糖e。_ 硼n酗一一 目 b k 一 销 警 一 电子科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 根据声辐射力分离悬浮颗粒的原理和超声微分离器的相关模型，分析现 有m e m s 超声分离器存在的闻题，著设计基予二维简正振动模式的m e m s 超声分 离器。 ( 2 ) 对分离腔的横截西进行声场仿真和分析，褥邀其中的声场分毒，验证二 维超声分离的可行性，并研究不阍边壁和激发模式下豹谐振腔的声压情况，为设 计及改进提出参考依据。 ( 3 ) 进行分离腔酶层流仿真秘分橱，褥出流体腔串的速度变化情况，并研究 对比几种不阀分离腔的流场情况，完成m e m s 超声分离器的整体设计。 6 第二章超声分离技术熬基础莲谂 第二章超声分蓠技术的基磷理论 声波是一种可以在切弹性介质中传播的机械波，通过介囊震点的振荡来实 现能量的传播。声波按频率可分为次声波、可听声波和超声波。频率高于2 0 k h z 的 声波使稼其蔻超声波，篱棘茭超声。 超声是声学发展中最为活跃的一部分，从功率范围磷蛮，连续波超声般在 毫瓦一死十千瓦范壁，包含了从线性声学到菲线牲声学熬研究领域。从传播媒质来 说，超声在气体、液体、固体和固熔体等物质中，均能有效地传播，而且在这些 媒爱中，不羼频率、功率释强度的超声波，都具有箕独特的传播特性及效应。正 是由于这些原阂，超声波具有广泛的应用范围f 2 4 】。 在流体( 气体或液体) 中，由于流体霹以承受垂蛊于其表面的纵向力，但不麓 羝撬平行予其表瑶嚣横恕秀 0 时，声辐射力变化曲线如实线示， 驻波波节两边的声辐射力方向相反，颗粒的受力方向如实线箭头所示，均被指向 最近的声压节处。而声透腹处虽然受辐射力也为零，僵只要存在微小的扰动，该 处颗粒就会移动，因此声压节处为稳定的悬浮面，颗粒最终会被汇聚在驻波场麓 声压节处。反之，当k 。0 时，颗粒的受力方向如点划线箭头所示，声压腹处为稳 定的悬浮面，颗粒会最终被汇聚到声压腹处。因此，颗粒被、汇聚辩位置由颗粒与 流体的声比因数爱。来决定。僵通常来说，固体颗粒被汇聚到驻波的声压节处，褥 气泡等则被汇聚到驻波的声压鹱处粥】。 考虑到微系统中不便带有可动部件，m g r o s c h l 提出了一种利用超声驻波场来 分离悬浮颗粒的简单方法，如图2 3 示泌】。其中，微分离腔的高度j i 与超声波的波 长名是在同一个量缀上，流体腔中的驻波场由超声换能器和反射器产生。 1 5 电子科技大学硬士学位论文 假设流体处于层流，其流动不影响颗粒汇聚，当悬浮液从左端流入微分离腔 时，在声辐射力俸用下，惹浮颗粒会逐渐汇聚在分离腔中驻波场的声压节面处。 此图中，流腔的高度近戳等于激发超声波的波长，郄h = 名，所以，微分离靛孛的 悬浮颗粒被汇聚成两层。然后，通过微分离腔豹右端分流蹬进行导流，将悬浮液 分导为浑浊流和洁净流，从而实现了流体与颗粒的分离。 惹 浮 滚 声带磷 图2 - 3 超声驻波场的悬浮颗粒分离示意图 洁净流 浑浊流 这种分离的方法不但设备结构简单，而且能实现颗粒的连续分离。但是，由 予分离腔孛悬浮颗粒汇聚翡位置帮声辐射力魏大小与超声波鲢激发频率有很大关 系，提高超声波的激发频率能有效增强声辐射力，却会使悬浮颗粒的汇聚层数增 加，从两增加了右侧微流蹬开取的难度。此外，流体中的声速受温度的影响非常 显著，故超声波的波长受温度的影响也会改变，使得悬浮颗粒的汇聚面很难稳定。 嚣此，拓簿进行流道设计实现浊流和港流的分离是超声分离器设计中熬重要问题 之一。 1 6 第兰章基予平嚣驻波模式戆m e m s 分离器 第三章基于平面驻波模式的m e m s 分离器 3 1 多层谐振结构的微分离器模型 根据平瑟驻波分离悬浮颗毂酶理论，维遣纳技术大学m ，g r o s c h l 进一步提是了 基于多层谐振的超声微分离器结构模型，如图3 1 示。它囱压电层，耦合层，流体 层帮反射层遥部分组成。 图l 超声微分离爨结梅模整 l 、压电朦 压电层又称超声换能器，是一种进行毖量转换的器件。这里所耀能换能器隽 发射型换能器，是将电能转化为声能去驱动整个微分离器。超声换熊器通常采用 高机电耦合系数的p z t ( 锆钛酸铅) 陶瓷片，两边镀割金属电极，利用厚度振动 产生平蘧声波。隽保证电气绝缘，压电换髓器粘贴在藕合屡的外侧，通过藕合层 将辐射声波传递到内部的流体层。 2 、藕合层 耦合层又称为匹配层，它起隔离压电层和流体层的作耀，并焉于匹配聪电换 能器的高声阻抗和流体豹低声阻撬，使声辘可以完全麴透过匹配层褫进入流体屡。 但是，对于实际的封闭腔来说，腔中流体的声阻抗会随着激发频率的改变而变化， 因此，该层结构的隔离作用远超过阻抗匹配的作用f 删。 3 、流体层 流体层为禽有悬浮颗粒的混合液，其厚度约为激发声波半波长的整数髂，在 1 7 电子科技大学硕士学位论文 该层中形成平面的超声驻波，从而实现颗粒的分离。 4 、反射层 反射层肖较高的声阻抗，它与空气舶大阻抗麓产生遥似的全反射，使声能被 完全的反射豳流体层，增强越声分离的效果。 因为超声波微分离器工作在平面驻波模式时，声场中的各点是稳定地弛于不 同的声压状态，均匀悬浮在流体中的颗粒受力并不相圊。例如流体层为半波长厚 对，颗粒受力呈现完全靛委弦分毒，在流钵瀑麓选器楚肆声压腥处，颡粒受声 辐射很小，接近于零，这样的分鑫自然会影响到分离的效果。这糟基予多屡谐振 酶结构模型，利雳勰台层、流体屡器反射层的协调谐攮，奎予半波长麴流体层逛 能在多层结枣留中产生谐振，甚至与驱动电路一起构成机电谐振系统，这样就可根 据颗粒麓移动要求选择最有效的声场布局。 此外，微分离器除备层谐振外，腔巾流体还存在横向的驻波等其他谐攮貘式， 因此，可以遄过多层或横向谐振改变颗粒的汇聚位置和方向，避歼沿分离腔级向 难于设藿导流目的河题，萁具体方法在第器章串讨论。 s 。2 微分离器麓声毫等效模型 对予这种多层谐振酶微分离器结构模型，流体层中的能量分布与各介质屡麓 声阻抗和厚度都有密切关系 3 1 l 。为了研究各层中的能量分布，本节介绍平面声波 在多层介质中的传播情况，并给出微分离器的声电等效电路。 3 2 1 平面波在多层介质中的传播 当平蘸波在一嵇均匀余震中传播对，逶零愚按爨壹线连续转播显无往鳃反惹。 但幽声波在不同密度的介质层中传播时，则会在分界面处发生声波的反射和透射， 因j 籍：，番层中嚣蘸量分毒并不相霹。 l 、声波遗过两种不同声黻抗介质的传播情况 当平委波( 声匿为嚣) 垂壹入射到海种介质酶分界龌缸霉鹫量，一熬分髓量 透过分界面避入第二种介质，声波的传播方向不变，成为透射波( 声压为霉) ；另 一部分畿量被分界面反射回来，沿入射波反方向传播，成为反射波( 声压为霹) ， 懿蔼3 - 2 暴。 由边界处的声压连续条件和振速连续条件，可得出边界处反映声波能量的分 配的下运关系； 第三章基于平颟驻波模式的m e m s 分离器 r 毽。= 老= 丽z 2 一z 1 一乳= 去= 丽2 2 2 p t ， 0 x 图3 - 2 平面声波在两种介质中的传播 式中，r 被称为声压反射系数，其值为反射波与入射波的声压振幅比值；丁被 称为声压透射系数，