第5讲_超声悬浮和超声马达

1、1 1、概念：、概念： 声和超声悬浮移动声和超声悬浮移动是在重力或微重力空间利是在重力或微重力空间利用强驻波声场中的辐射压力与固体、液体微粒或用强驻波声场中的辐射压力与固体、液体微粒或生物细胞的重力相平衡，而使其生物细胞的重力相平衡，而使其稳定悬浮在声场稳定悬浮在声场中或在空中移动中或在空中移动的技术。利用这种新技术可以用的技术。利用这种新技术可以用较少的设备实现一种无明显机械接触的理想实验较少的设备实现一种无明显机械接触的理想实验环境来研究液体和生物媒质力学性质；用来无容环境来研究液体和生物媒质力学性质；用来无容器的熔化和固化材料，消除容器对所制备材料的器的熔化和固化材料，消除容器对所制备材

2、料的污染，得到纯度极高的材料等。这一技术已在航污染，得到纯度极高的材料等。这一技术已在航天飞机的太空实验中得到应用。天飞机的太空实验中得到应用。 声和超声悬浮技术及应用声和超声悬浮技术及应用2 2、原理和装置：、原理和装置：右图是单轴声悬浮的原理图。活右图是单轴声悬浮的原理图。活塞声源装在长圆管的底部，在活塞声源装在长圆管的底部，在活塞辐射面的对面设有反射器，在塞辐射面的对面设有反射器，在其间建立驻波声场，辐射面与反其间建立驻波声场，辐射面与反射面相距为射面相距为半波长的整数倍半波长的整数倍。当。当声场中的辐射压力与物体的重力声场中的辐射压力与物体的重力相平衡时，物体即悬浮在空间。相平衡时，物

3、体即悬浮在空间。如果改变反射器的距离或振动器如果改变反射器的距离或振动器的频率，则可以移动物体在空间的频率，则可以移动物体在空间的位置。的位置。当驻波声场中有高温或当驻波声场中有高温或低温装置时，就可以实现无容器、低温装置时，就可以实现无容器、非接触的材料熔炼或凝固。非接触的材料熔炼或凝固。声和超声悬浮技术及应用声和超声悬浮技术及应用2 2、原理和装置：、原理和装置：为灵活的控制物体的悬浮位置，为灵活的控制物体的悬浮位置，发展了一种三轴声悬浮装置。在发展了一种三轴声悬浮装置。在一个六面长方有一个六面长方有三面布置三个声三面布置三个声源源，其激励可以，其激励可以独立调节独立调节，因而，因而能灵活

4、控制物体在空间某一点的能灵活控制物体在空间某一点的稳定悬浮。稳定悬浮。如果对某一声轴的声如果对某一声轴的声压加以调制，则可实现悬浮液滴压加以调制，则可实现悬浮液滴的振荡的振荡，除可实现悬浮体的声振，除可实现悬浮体的声振荡外，为实现对悬浮物体的处理，荡外，为实现对悬浮物体的处理，还发展了高温声悬浮装置。还发展了高温声悬浮装置。 声和超声悬浮技术及应用声和超声悬浮技术及应用3 3 特点：特点：声悬浮技术可悬浮任何材料，包括磁性和非磁性体，声悬浮技术可悬浮任何材料，包括磁性和非磁性体，导体和绝缘体；定位方便，稳定不易失控；可以方便导体和绝缘体；定位方便，稳定不易失控；可以方便实现样品的输送，如从高温

5、区输送到低温区；能使样实现样品的输送，如从高温区输送到低温区；能使样品旋转、振动和有利于样品保持球形、脱气、表面涂品旋转、振动和有利于样品保持球形、脱气、表面涂敷和材料的分选；利用空化效应，可以使材料混合破敷和材料的分选；利用空化效应，可以使材料混合破碎等等。碎等等。 声和超声悬浮技术及应用声和超声悬浮技术及应用4 4、应用：、应用：声和超声悬浮移动技术已得到越来越广泛的应用。例声和超声悬浮移动技术已得到越来越广泛的应用。例如，它可用来研究液体分界面的如，它可用来研究液体分界面的表面张力表面张力，研究液体，研究液体的的粘滞特性粘滞特性；测量微量液体或生物组织的绝热压缩系；测量微量液体或生物组织

6、的绝热压缩系数和声速，特别适用于研究某些生物细胞如红血球的数和声速，特别适用于研究某些生物细胞如红血球的特性，因为它的性质依赖于它所存在的环境。特性，因为它的性质依赖于它所存在的环境。利用超声悬浮和雾化技术，可以将塑料或石腊均利用超声悬浮和雾化技术，可以将塑料或石腊均匀地包敷在微玻璃球的表面匀地包敷在微玻璃球的表面。微玻璃球在驻波声场中。微玻璃球在驻波声场中悬浮，涂敷材料溶于溶液中并用超声雾化而涂在玻璃悬浮，涂敷材料溶于溶液中并用超声雾化而涂在玻璃球基体上，例如用这种新技术可以在玻璃球上包敷球基体上，例如用这种新技术可以在玻璃球上包敷50 50 厚的聚苯乙烯，表面不均匀性小于几百埃。此外还用厚

7、的聚苯乙烯，表面不均匀性小于几百埃。此外还用来来制造高质量的半导体晶体制造高质量的半导体晶体。远红外透光新玻璃远红外透光新玻璃等等。等等。 声和超声悬浮技术及应用声和超声悬浮技术及应用m超声马达的概念在超声马达的概念在19601960年就提出了，但直到年就提出了，但直到19711971年才取得进展。当时西德的西门子公司申请了压电超年才取得进展。当时西德的西门子公司申请了压电超声马达的专利，后来日本的制造厂家也申请了压电超声马达的专利，后来日本的制造厂家也申请了压电超声马达专利。这些马达主要用在照橡机自动聚焦机构声马达专利。这些马达主要用在照橡机自动聚焦机构上，因此当时的专利主要是由照像机制造者

8、申请的。上，因此当时的专利主要是由照像机制造者申请的。超声马达研究工作的迅速进展是在超声马达研究工作的迅速进展是在8080年代。日本对超年代。日本对超声马达的研究、开发和应用特别重视，取得了举世瞩声马达的研究、开发和应用特别重视，取得了举世瞩目的结果。目的结果。 超声马达超声马达超声马达与电磁马达不同，它不是利用磁场将电能转超声马达与电磁马达不同，它不是利用磁场将电能转换为机械能，而是通过超声换能器把电能转换为某种换为机械能，而是通过超声换能器把电能转换为某种模式的机械振动，然后，再利用定子模式的机械振动，然后，再利用定子( (振动着的弹性体振动着的弹性体) )与转子与转子( (或滑块或滑块)

9、 )表面间的表面间的摩擦力摩擦力使转子转动或使滑块使转子转动或使滑块移动，从而把电能转换成了可以对外作功的机械能。移动，从而把电能转换成了可以对外作功的机械能。与电磁马达比较，超声马达有以下较突出的特点，与电磁马达比较，超声马达有以下较突出的特点，转转速低，力矩大；应答速度快，定位精度高；体积小，速低，力矩大；应答速度快，定位精度高；体积小，功率密度大；没有磁干扰，便于控制等功率密度大；没有磁干扰，便于控制等。超声马达的。超声马达的这些特点使其在机器人、计算机、仪器仪表以及其他这些特点使其在机器人、计算机、仪器仪表以及其他高技术产品中有着广阔的应用前景。高技术产品中有着广阔的应用前景。在许多应

10、用中可在许多应用中可免去减速装置免去减速装置而直接驱动。而直接驱动。超声马达可以利用各种不同的振动模式，因此马达超声马达可以利用各种不同的振动模式，因此马达的种类也是各式各样的。的种类也是各式各样的。按运转形式分：按运转形式分：有线性马达和旋转马达两大类有线性马达和旋转马达两大类；按超声振动的波形分：有行波马达和驻波马达；按超按超声振动的波形分：有行波马达和驻波马达；按超声振动的模式分：有单一模式、模式转换、多模式和声振动的模式分：有单一模式、模式转换、多模式和模式旋转等类型模式旋转等类型; ;按换能器分：有单一换能器和复合换按换能器分：有单一换能器和复合换能器型超声马达等等。能器型超声马达等

11、等。表面波和板波在传播过程中，弹性介质表面质点振动表面波和板波在传播过程中，弹性介质表面质点振动的的轨迹是椭圆形轨迹是椭圆形。假如在有这种质点振动的弹性体表。假如在有这种质点振动的弹性体表面再放上另外一个金属块，如图所示，则该金属块将面再放上另外一个金属块，如图所示，则该金属块将沿着与波传播方向相反的方向移动。这是因为当声波沿着与波传播方向相反的方向移动。这是因为当声波沿沿x x方向传播时，固体表面上的质点沿方向传播时，固体表面上的质点沿椭圆轨迹按逆时椭圆轨迹按逆时针方向运动针方向运动，同时金属块与振动着的固体表面间有摩，同时金属块与振动着的固体表面间有摩擦力存在。这样，振动的质点通过两表面间

12、的摩擦力擦力存在。这样，振动的质点通过两表面间的摩擦力使金属块移动。使金属块移动。这就是超声行波线性马达的基本原理这就是超声行波线性马达的基本原理。 超声行波马达运行的基本条件是：超声行波马达运行的基本条件是：在作为定子的弹性体的表面在作为定子的弹性体的表面( (与转子的接触面与转子的接触面) )上必上必须激发有质点沿椭圆轨迹的振动须激发有质点沿椭圆轨迹的振动; ;定子与滑块接触面间必须有一定的摩擦系数。定子与滑块接触面间必须有一定的摩擦系数。为了满足第二个条件为了满足第二个条件/ /除接触面处选用摩擦系数除接触面处选用摩擦系数大的材料外，还需给接触面施加一定的接触压力。大的材料外，还需给接触

13、面施加一定的接触压力。假如把图所示的振动的弹性体假如把图所示的振动的弹性体( (定子定子) )沿沿x x方向弯成一方向弯成一个圆环，则附加的金属块个圆环，则附加的金属块( (转子转子) )将作沿圆周的转动运将作沿圆周的转动运动。用一个金属环代替此金属块，则该金属环便做连动。用一个金属环代替此金属块，则该金属环便做连续的旋转运动，这就是超声行波旋转马达的工作原理。续的旋转运动，这就是超声行波旋转马达的工作原理。 超声波行波超声马达超声波行波超声马达值得注意的是，超声马达的定子和转子值得注意的是，超声马达的定子和转子( (或滑块或滑块) )两表两表面间的接触是局部接触。面间的接触是局部接触。对沿椭

14、圆轨道振动的质点来对沿椭圆轨道振动的质点来说，在一周期内实际与转子表面的接触时间是很短的，说，在一周期内实际与转子表面的接触时间是很短的，如图所示。如图所示。在未接触期间，摩擦力不存在，但转子仍在未接触期间，摩擦力不存在，但转子仍继续运动，这是由于转子的时间常数远大于定子质点继续运动，这是由于转子的时间常数远大于定子质点的振动周期。的振动周期。实际上是物体的惯性作用的结果。实际上是物体的惯性作用的结果。现在再来看在驻波条件下现在再来看在驻波条件下超声马达的工作原理。当超声马达的工作原理。当一弹性体有驻波存在时，一弹性体有驻波存在时，该弹性体表面质点作用力该弹性体表面质点作用力的方向取决于它们沿

15、驻波的方向取决于它们沿驻波的位置，如图的位置，如图(A)(B)(A)(B)所示。所示。假如在该弹性体表面质点假如在该弹性体表面质点作用方向相同的位置加工作用方向相同的位置加工出一些凸起部分，并在上出一些凸起部分，并在上面放一金属块，则该金属面放一金属块，则该金属块将沿与其对应的质点作块将沿与其对应的质点作用方向作单向移动，如图用方向作单向移动，如图(C)(D)(C)(D)所示。所示。 驻波驻波 超声马达超声马达一、超声波洗衣机一、超声波洗衣机 据报导，日本曾设计成据报导，日本曾设计成一种超声波洗衣机。它和传一种超声波洗衣机。它和传统的洗衣机不同，既不需要统的洗衣机不同，既不需要旋转马达，也不需

16、用洗涤剂，旋转马达，也不需用洗涤剂，衣服上的污渍只需通过洗槽衣服上的污渍只需通过洗槽内的气泡和超声波即可被去内的气泡和超声波即可被去除干净。除干净。 超声波洗衣机主要由洗超声波洗衣机主要由洗槽、超声波发生器、气泡供槽、超声波发生器、气泡供给器及若干方向各异、高度给器及若干方向各异、高度数厘米的金属板组成。数厘米的金属板组成。超声日常生活中的应用超声日常生活中的应用当洗糟充满水，衣服投入洗槽，气泡当洗糟充满水，衣服投入洗槽，气泡供给器和超声发生器开始工作，洗槽供给器和超声发生器开始工作，洗槽内即有超声波和大量气泡产生，超声内即有超声波和大量气泡产生，超声波因气泡的折射作用而均匀地分散在波因气泡的

17、折射作用而均匀地分散在衣服上，浸入的衣服受超声波作用后，衣服上，浸入的衣服受超声波作用后，表面也会产生大量气泡，衣服通过大表面也会产生大量气泡，衣服通过大量气泡的爆破和微摩擦，衣服上的污量气泡的爆破和微摩擦，衣服上的污渍也随之被分解，同时被气泡带出，渍也随之被分解，同时被气泡带出，衣服也变干净了。衣服也变干净了。超声波洗衣机的最超声波洗衣机的最大特点：不用搅拌，不用洗衣粉，所大特点：不用搅拌，不用洗衣粉，所以不损坏衣服。以不损坏衣服。此外，由于衣服的密此外，由于衣服的密度小，超声波能畅通无阻地作用到衣度小，超声波能畅通无阻地作用到衣服内部，即使衣服重叠在一起也不会服内部，即使衣服重叠在一起也不

18、会受影响。受影响。二、超声波洗碗机二、超声波洗碗机 上世纪上世纪8080年代中期，国外研制了超声波洗碗机，且有年代中期，国外研制了超声波洗碗机，且有商品供应。商品供应。它实际上类似一台超声清洗器。它实际上类似一台超声清洗器。其作用机理还其作用机理还是利用超声波作用于水中，是利用超声波作用于水中，产生无数气泡的空化现象，瞬产生无数气泡的空化现象，瞬间产生上千个大气压和间产生上千个大气压和100010000 0C C的高温，污物在超声的搅拌、的高温，污物在超声的搅拌、分散、乳化等作用下，清除盆、碗上的污物、油腻。分散、乳化等作用下，清除盆、碗上的污物、油腻。这种这种洗碗机在底部有六个频率为洗碗机在

19、底部有六个频率为27kHz27kHz的磁致伸缩换能器，超的磁致伸缩换能器，超声发生器的输出功率为声发生器的输出功率为400W400W。有人曾用。有人曾用1515只较油污的瓷盆只较油污的瓷盆放入洗碗机，开启电源，经放入洗碗机，开启电源，经1010多分钟超声清洗后取出。瓷多分钟超声清洗后取出。瓷盆干净无比。原瓷盆上的油腻、斑渍全无。据说明书上介盆干净无比。原瓷盆上的油腻、斑渍全无。据说明书上介绍还有杀菌作用。绍还有杀菌作用。超声日常生活中的应用超声日常生活中的应用三、超声波洗澡机三、超声波洗澡机 据国外报导，在发达国家，目前流行一种称为按据国外报导，在发达国家，目前流行一种称为按摩式的浴缸，它通过

20、浴缸中许多不同度和不同流速的摩式的浴缸，它通过浴缸中许多不同度和不同流速的喷头，对人体进行各种姿态和部位的热水按摩。使人喷头，对人体进行各种姿态和部位的热水按摩。使人肌肉松驰，轻松愉快。而高级宾馆中的浴缸，也常装肌肉松驰，轻松愉快。而高级宾馆中的浴缸，也常装有超声波辐射器，超声波产生的无数气泡一方面对人有超声波辐射器，超声波产生的无数气泡一方面对人体肌肤进行轻微撞击摩擦，同时超声波深入毛孔，清体肌肤进行轻微撞击摩擦，同时超声波深入毛孔，清除身上汗腺毛孔的污垢。据报导，日本一家公司研制除身上汗腺毛孔的污垢。据报导，日本一家公司研制成功了一种新奇的超声波洗澡机，外形象个巨蛋。浴成功了一种新奇的超声

21、波洗澡机，外形象个巨蛋。浴者除头部外，全身都在洗澡机里。用该机洗一次澡只者除头部外，全身都在洗澡机里。用该机洗一次澡只需需15min15min。 超声日常生活中的应用超声日常生活中的应用三、超声波洗澡机三、超声波洗澡机 这种洗澡机操作简单，选定水温后，即可进入机这种洗澡机操作简单，选定水温后，即可进入机内，开动机器洗澡。洗澡过程是全自动的，首先洗温内，开动机器洗澡。洗澡过程是全自动的，首先洗温水浴，水浴，2min2min后，用超声波激起包含泡沫的温水，将身后，用超声波激起包含泡沫的温水，将身体洗净。体洗净。5min5min后，温水灌满洗澡机，温水里的许多塑后，温水灌满洗澡机，温水里的许多塑料小

22、球在浴者身体周围回旋，擦洗皮肤，使人感到浑料小球在浴者身体周围回旋，擦洗皮肤，使人感到浑身舒服。经过身舒服。经过7min7min的冲洗和塑料小球的摩擦后，机内的冲洗和塑料小球的摩擦后，机内的脏水自动流出，洗澡机再给你淋浴的脏水自动流出，洗澡机再给你淋浴2min2min，洗澡结束。，洗澡结束。 超声日常生活中的应用超声日常生活中的应用四、超声波牙刷四、超声波牙刷超声牙刷是美国的超声技术应用在家庭和治超声牙刷是美国的超声技术应用在家庭和治疗上的最新技术产品，它是一种用电池供电疗上的最新技术产品，它是一种用电池供电的全密封防水牙刷，如图所示。其中包括牙的全密封防水牙刷，如图所示。其中包括牙刷头刷头( (可换可换) )，换能器，换能器2(2(压电晶片压电晶片) )，超声波发，超声波发生器生器4(4(在牙刷手柄部分在牙刷手柄部分) )，电池，电池5 5指示灯指示灯3 3充电充电器器6 6。附件有感应式充电器座。牙刷手柄上无。附件有感应式充电器座。牙刷手柄上无需插头和电线，该产品是得到美国需插头和电线，该产品是得到美国ULUL认证的，认证的，十分安全产品。牙刷上无任何开关，是全自十分安全产品。牙刷上无