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《吉林大学》 2012年
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基于超声波近场声悬浮的靶丸类微球驱动研究

孙旭光  
【摘要】:世界经济的发展,得益于以煤炭、石油、天然气为代表的化石能源的广泛应用,然而这些化石能源终将枯竭,人们期待新的能源。可控核聚变干净、安全,且以海水作为原料,是人类的希望所在。惯性约束核聚变(ICF)是实现可控核聚变的一种有效方法,但如何解决靶丸材料在激光辐射场中的支撑是一项关键的技术,也是一项难题。目前ICF靶丸普遍使用的杆支撑,阻碍了均匀辐照,而磁悬浮支撑需要在靶丸中添加铁氧体等磁导物质,影响靶丸的均匀性、稳定性及发光效率,因此会在激光辐射过程中产生不利影响。 为克服上述缺点,本文提出采用超声波近场声悬浮支撑并辅以气动驱动控制的方法,围绕超声波悬浮原理,影响悬浮高度因素和气动驱动控制方法等问题,对超声波悬浮系统和气动驱动系统进行了设计,并对其性能进行测试分析。 为了解凹球面换能器近场声悬浮的机理,首先以固体弹性力学的角度,推导出振动时换能器各点的变形情况,并以此为基础,分析超声波近场声悬浮时,换能器对平板产生的辐射力。最后,用反射波的声辐射力乘以散射系数的方式近似代替球面散射的声辐射力,推导并简化了凹球面换能器悬浮高度的计算公式。公式表明:悬浮高度与换能器发射端的振幅、悬浮物体的质量、半径以及流体介质的密度有关,通过调节这几个因素,可以改变悬浮高度。 超声波换能器是实现近场声悬浮的关键部件,针对超声波换能器的具体应用情况,本文选择PZT-8作为压电材料,硬铝和45#钢作为前、后盖板,并根据换能器设计理论,对换能器进行尺寸设计。由于换能器发射端为凹球面,产生的声场分布未知,所以采用有限元参数化思想,设计换能器的凹球面半径与凹陷高度。结果表明,凹球面发射端的最佳参数为球面半径5mm,凹陷高度2.5mm,并据此制作了实验样机。 在前文理论分析的基础上,构建超声波悬浮系统,并对其性能进行测试。实验结果表明:随着电压的增大,悬浮高度上升,悬浮扰动加剧;悬浮圆球与凹球面半径相等时,悬浮高度最大,悬浮扰动最小。据此,引入半径耦合系数,以反映悬浮圆球与凹球面半径的耦合情况,修正了凹球面换能器悬浮高度计算公式。此外以理论与实验相结合的方式,得出换能器谐振频率的负载效应:随着负载质量的增加,谐振频率略有下降,共振频率的阶数越高,下降趋势越明显。 在超声波悬浮系统的基础上,构建气动驱动系统并进行实验测试。实验结果表明:气压是影响悬浮圆球转速的主要因素,气压越大,悬浮圆球转速越快;出气孔偏心距对悬浮圆球转速影响较小,偏心距越大,悬浮圆球转速越慢。此外还对测出悬浮圆球转速对悬浮高度和扰动的影响:悬浮圆球转速越快,悬浮高度越低,扰动越大。 本文的研究工作证明采用超声波近场声悬浮支撑并辅以气动驱动控制的方法,可以实现ICF靶丸的无接触支撑及其驱动控制。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TB552

【引证文献】
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