阅读说明：本技术 一种基于激励相位的超声悬浮传输距离的补偿方法 (Compensation method for ultrasonic levitation transmission distance based on excitation phase ) 是由 赵杰 穆冠宇 孟繁斌 董亚北 董惠娟 于 2020-04-06 设计创作，主要内容包括：本发明涉及超声悬浮传输领域,更具体的说是一种基于激励相位的超声悬浮传输距离的补偿方法,可以设定超声行波悬浮传输装置的设计频率为超声换能器Ⅰ和超声换能器Ⅱ的激励频率；定义超声行波悬浮传输装置超声换能器Ⅰ和超声换能器Ⅱ的激励信号的相位差Ⅰ为θ,不断改变相位差Ⅰθ,借助激光测振仪进行振速扫描实验,来找到振动弹性体各点振速幅值相等时对应的相位差Ⅱθ,由时间相位差Ⅱθ确定空间相位差φ,确定空间相位差为φ后,找出最大振动位移和最小振动位移相等对应的时间相位差Ⅱθ,将激励信号的相位差Ⅰ调节为该纯行波点对应的相位差Ⅱ,实验装置能够产生行波声场,实现超声行波悬浮传输。(The invention relates to the field of ultrasonic suspension transmission, in particular to a compensation method of an ultrasonic suspension transmission distance based on an excitation phase, which can set the design frequency of an ultrasonic traveling wave suspension transmission device as the excitation frequency of an ultrasonic transducer I and an ultrasonic transducer II; defining the phase difference I of excitation signals of an ultrasonic transducer I and an ultrasonic transducer II of an ultrasonic traveling wave suspension transmission device as theta, continuously changing the phase difference I theta, carrying out a vibration velocity scanning experiment by means of a laser vibration meter to find the corresponding phase difference II theta when vibration velocity amplitudes of all points of a vibration elastic body are equal, determining a space phase difference phi by the time phase difference II theta, finding out the time phase difference II theta corresponding to the maximum vibration displacement and the minimum vibration displacement after determining the space phase difference as phi, adjusting the phase difference I of the excitation signals into the phase difference II corresponding to the pure traveling wave point, and generating a traveling wave sound field by the experimental device to realize ultrasonic traveling wave suspension transmission.)

一种基于激励相位的超声悬浮传输距离的补偿方法

技术领域

本发明涉及超声悬浮传输领域，更具体的说是一种基于激励相位的超声悬浮传输距离的补偿方法。

背景技术

超声悬浮是声场的一种非线性现象，借助高强度声场中的声辐射力将物体悬浮于声压势阱位置处。超声悬浮传输是在超声悬浮基础上发展起来的一种非接触传输技术。其中，驻波传输通过主动调节激励参数，改变声场分布，使声压势阱位置在声场中的定向移动，从而在悬浮节点处的物体移动，但是被悬浮物体的移动速度较慢；然而，行波传输通过固-流体耦合作用，在振动弹性体和被悬浮物体之间的气膜形成挤压气膜，在振动弹性体上形成行波，表面气膜由速度梯度产生的粘性力驱动悬浮物沿着行波方向进行传输；

例如公开号CN101020539一种悬浮传输装置，用于对半导体晶片以及液晶玻璃等板状的被传输物品实施悬浮传输，它包括设置在传输路径下方的风机过滤器单元，该风机过滤单元向着传输路径上的被传输物品喷射气流，所述的喷射气流不但使得被传输物品悬浮起来，并且使得被悬浮物品沿着一定方向移动，所述的风机过滤单元还可以在被传输物品在悬浮移动的过程中，喷出洁净的空气流包围被传输物品；

现有的超声行波悬浮传输装置具有以下设计难点，定义连接两个超声换能器的金属平板为振动弹性体，振动弹性体两个支撑点间的距离、支撑点到振动弹性体振动输出端的距离都要求与实际波长存在严格的比例关系，才能实现超声行波悬浮传输。为了实现任意距离的行波传输，需要对超声行波悬浮传输装置的振动弹性体支撑距离进行补偿，常见的补偿方法包括机械补偿和激励相位补偿，机械补偿需要对实验装置进行调整，调整过程复杂，由于振动弹性体与换能器连接方式为螺栓连接，很难等效为截面，实际支撑长度的调节精度难以保证。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于激励相位的超声悬浮传输距离的补偿方法，可以针对振动弹性体支撑距离不同的超声行波传输实验装置，都可以通过调节两个超声换能器之间激励信号的相位差，来实现行波传输。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种基于激励相位的超声悬浮传输距离的补偿方法，包括以下步骤：

步骤一：搭建超声行波悬浮传输装置，对超声换能器Ⅰ和超声换能器Ⅱ分别施加两路幅值和频率相同激励信号，两路激励信号之间存在相位差Ⅰ；

步骤二：分析振动弹性体的振动位移，设振动弹性体两个支撑点间距离而对应产生的空间相位差为φ，设超声换能器Ⅰ和超声换能器Ⅱ信号时间上的相位差Ⅰ为θ，得到振动弹性体上任意位置最大振动位移与最小振动位移相等条件下的激励信号相位差Ⅱθ与空间相位差φ的关系；

步骤三：改变两路激励信号的相位差Ⅰθ，激光测振仪在不同的相位差Ⅰθ下对整个振动弹性体进行振速扫描实验，找到振动弹性体上各点振速幅值相等情况下的相位差Ⅱθ，通过相位差Ⅱθ得到对应的空间相位差φ；

步骤四：振动弹性体上任意位置最大振动位移和最小振动位移相等时对应的相位差Ⅱθ，将激励信号的相位差Ⅰθ调节为相位差Ⅱθ，实验装置能够产生行波声场。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种基于激励相位的超声悬浮传输距离的补偿方法，振动弹性体上任意位置最大振动位移与最小振动位移相等条件下的激励信号相位差Ⅱθ与空间相位差φ关系的求解方法为：写出在任意时刻t，振动弹性体上位于x处的质点沿z方向的振动位移方程f(x,t)，由振动位移方程f(x,t)进而得到质点的振幅表达式A(t)，寻找振动弹性体(5)上振幅极值，令将求解的条件带入振幅表达式A(t)，求出最大振动位移A_max(θ，φ)和最小振动位移A_min(θ,φ)，求解A_max(θ，φ)＝A_min(θ，φ)，得到振动弹性体上任意位置最大振动位移与最小振动位移相等即产生纯行波条件下的激励信号相位差Ⅱθ与空间相位差φ的关系。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种基于激励相位的超声悬浮传输距离的补偿方法，由步骤二得到的关系表达式，找出行波模式下时间相位差Ⅱθ和空间相位差φ的关系，振动弹性体支撑距离l₂＝mλ+ΔL,空间相位φ＝kl₂＝2mπ+Δφ，当ΔL＜λ/2时，调节激励相位差θ＝π-Δφ或θ＝π+Δφ；当λ/2＜ΔL＜λ时，调节激励相位差θ＝3π-Δφ或θ＝Δφ-π。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种基于激励相位的超声悬浮传输距离的补偿方法，激光测振仪测量振动弹性体振速实验，对整个振动弹性体进行振速扫描，找出振动弹性体生成行波声场时的相位差Ⅱθ，进一步得到超声行波悬浮传输装置的空间相位差φ。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种基于激励相位的超声悬浮传输距离的补偿方法，空间相位差φ是由超声换能器Ⅰ和超声换能器Ⅱ的支撑点之间的距离l₂产生的，设置超声换能器Ⅰ的激励信号的相位为0°，超声换能器Ⅱ的激励信号的相角为θ,θ从0调整到2π，通过激光测振仪测量振动弹性体上质点的振速，找出振动弹性体各个质点振速幅值相同时对应的激励信号的相位差Ⅱθ。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种基于激励相位的超声悬浮传输距离的补偿方法，根据步骤三得到的实验装置的空间相位差φ，找出振动弹性体上任意位置最大振动位移和振动位移相等时对应的时间相位差Ⅱθ，将超声换能器Ⅰ和超声换能器Ⅱ的相位差Ⅰ调节为该纯行波点对应的相位差Ⅱ，实验装置能够产生行波声场。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种基于激励相位的超声悬浮传输距离的补偿方法，根据振动弹性体上任意位置的最大振动位移和最小振动位移随相位差Iθ的变化关系，可以指导超声行波悬浮传输装置进行行波悬浮传输实验；根据行波模式下时间相位差Ⅱθ和空间相位差φ变化关系，针对不同的振动弹性体可以找出需要补偿的相位差Ⅱθ。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种基于激励相位的超声悬浮传输距离的补偿方法，所述两路激励信号的激励频率都设定为实验装置的设计谐振频率。

本发明一种基于激励相位的超声悬浮传输距离的补偿方法的有益效果为：

本发明一种基于激励相位的超声悬浮传输距离的补偿方法，可以设定超声行波悬浮传输装置的设计频率为超声换能器Ⅰ和超声换能器Ⅱ的激励频率；定义超声行波悬浮传输装置超声换能器Ⅰ和超声换能器Ⅱ的激励信号的相位差Ⅰ为θ，不断改变相位差Ⅰθ，借助激光测振仪进行振速扫描实验，来找到振动弹性体各点振速幅值相等时对应的相位差Ⅱθ，由时间相位差Ⅱθ确定空间相位差φ，确定空间相位差为φ后，找出最大振动位移和最小振动位移相等对应的时间相位差Ⅱθ，将激励信号的相位差Ⅰ调节为该纯行波点对应的相位差Ⅱ，实验装置能够产生行波声场，实现超声行波悬浮传输；基于激励相位的超声悬浮传输距离的补偿技术能够找到振动弹性体不同支撑长度下产生行波声场需要补偿的相位差Ⅱ，这样，不论装置的振动弹性体的长度如何，能够保证超声行波悬浮传输装置实现行波悬浮传输；本发明利用超声换能器Ⅰ和超声换能器Ⅱ进行激励，相比于单个超声换能器激励、另一个超声换能器吸振的方法，能够通过相位差激励补偿控制行波成分，实现纯行波传输状态，而吸振方法进行阻抗调节时，不能够调节到纯行波状态；本发明通过时间相位差Ⅱθ来补偿振动弹性体的空间相位差φ，从而实现行波传输，相比于机械式补偿方法，此方法仅需要调整超声换能器激励信号之间的相位差Ⅰ，更为便捷快速。

附图说明

下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细的说明。

图1是本发明的超声行波悬浮传输装置结构示意图；

图2是本发明的振动弹性体结构示意图；

图3是本发明的振动弹性体上质点的振动位移极值随时间相位差θ变化曲线，ΔL＝3λ/8示意图；

图4是本发明的振动弹性体上质点的振动位移极值随时间相位差θ变化曲线，ΔL＝3λ/4示意图；

图5是本发明的行波模式下振动弹性体振动位移振幅随空间相位差φ变化曲线示意图；

图6是本发明的在行波模式下时间相位差θ随空间相位差φ变化关系曲线示意图。

图中：底座1；角竖架2；超声换能器Ⅰ3-1；超声换能器Ⅱ3-2；固定横板4；振动弹性体5；激光测振仪6；固定换能器压板7。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

具体实施方式一：

下面结合图1-6说明本实施方式，一种基于激励相位的超声悬浮传输距离的补偿方法，包括以下步骤：

步骤一：搭建超声行波悬浮传输装置，对超声换能器Ⅰ3-1和超声换能器Ⅱ3-2分别施加两路幅值和频率相同激励信号，两路激励信号之间存在相位差Ⅰ；

步骤二：分析振动弹性体5的振动位移，设振动弹性体5两个支撑点间距离而对应产生的空间相位差为φ，设超声换能器Ⅰ3-1和超声换能器Ⅱ3-2信号时间上的相位差Ⅰ为θ，得到振动弹性体5上任意位置最大振动位移与最小振动位移相等条件下的激励信号相位差Ⅱθ与空间相位差φ的关系；

步骤三：改变两路激励信号的相位差Ⅰθ，激光测振仪6在不同的相位差Ⅰθ下对整个振动弹性体5进行振速扫描实验，找到振动弹性体5上各点振速幅值相等情况下的相位差Ⅱθ，通过相位差Ⅱθ得到对应的空间相位差φ；

步骤四：振动弹性体5上任意位置最大振动位移和最小振动位移相等时对应的相位差Ⅱθ，将激励信号的相位差Ⅰθ调节为相位差Ⅱθ，实验装置能够产生行波声场；超声行波悬浮传输装置，包括底座1、角竖架2、超声换能器Ⅰ3-1、超声换能器Ⅱ3-2、固定横板4、振动弹性体5、激光测振仪6、固定换能器压板7。其中超声换能器Ⅰ3-1和超声换能器Ⅱ3-2左右平行对置安装，且超声换能器Ⅰ3-1和超声换能器Ⅱ3-2的频率特性相同，均为郎之万式超声换能器。振动弹性体5的左右两端分别固定连接在超声换能器Ⅰ3-1和超声换能器Ⅱ3-2的振动输出端；超声换能器Ⅰ3-1和超声换能器Ⅱ3-2均通过细牙螺栓连接与振动弹性体5连接；振动弹性体5可能是铝板；超声换能器Ⅰ3-1和超声换能器Ⅱ3-2在超声电源的驱动下带动振动弹性体5产生振动；通过调节超声换能器Ⅰ3-1和超声换能器Ⅱ3-2两路激励信号的相位差Ⅰ，实现振动弹性体5振幅分布状况的改变；超声电源可以购买或自制，要求电源能够输出两路幅值、频率和相角可调的功率超声信号，其中超声换能器Ⅰ3-1相角为0，超声换能器Ⅱ3-2相角为θ；通过利用激光测振仪6可测量振动弹性体上质点振动速度，通过调节相位差Ⅰ，从0到2π，使振动弹性体5上质点振动位移的振幅相同时，记录此时相位差Ⅱ；振动弹性体5上质点振动位移振幅相同时为行波传输；超声换能器激励信号的频率为实验装置的设计谐振频率。

具体实施方式二：

下面结合图1-6说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，振动弹性体5上任意位置最大振动位移与最小振动位移相等条件下的激励信号相位差Ⅱθ与空间相位差φ关系的求解方法为：写出在任意时刻t，振动弹性体5上位于x处的质点沿z方向的振动位移方程f(x,t)，由振动位移方程f(x,t)进而得到质点的振幅表达式A(t)，寻找振动弹性体5上振幅极值，令将求解的条件带入振幅表达式A(t)，求出最大振动位移A_max(θ，φ)和最小振动位移A_min(θ,φ)，求解A_max(θ，φ)＝A_min(θ，φ)，得到振动弹性体5上任意位置最大振动位移与最小振动位移相等即产生纯行波条件下的激励信号相位差Ⅱθ与空间相位差φ的关系；

步骤二给出了振动弹性体5位于x处的质点在时刻t时沿着z方向的振动位移方程，得到最大振动位移与最小振动位移相等，即产生纯行波条件下的激励信号相位差Ⅱθ与空间相位差φ的关系，具体推导过程如下：

振动弹性体5位于x点的质点在t时刻时沿着z方向振动位移为：

f(x,t)＝cosωtcoskx+cos(ωt+θ)cos[k(l₂-x)] (1)

式(1)中ω为步骤一中实验装置的设计激励角频率，k为振动波在振动弹性体5中传播的波数，θ为两个超声换能器的激励信号相位差，l₂为振动弹性体5上超声换能器Ⅰ3-1和超声换能器Ⅱ3-2的支撑点之间的距离，φ＝kl₂，cosωtcoskx、cos(ωt+θ)cos[k(l₂-x)]分别为超声换能器Ⅰ3-1和超声换能器Ⅱ3-2产生的振动位移表达式；

化简式(1)得：

f(x,t)＝A(t)sin(Ψ+kx) (2)

式(2)中

为了求得振动弹性体5上的最大振动位移和最小振动位移，需要找到f(x,t)的极值，由公式(2)可知f(x,t)可以分解成A(t)和sin(Ψ+kx)的乘积形式，其中A(t)的项不包括x项，因此首先确定振动弹性体振动位移极值出现的位置，令sin(Ψ+kx)对变量x求导，其导数值为零：

求得对应得到在振动弹性体5任意时刻t处的振动位移取得极值时，位置x满足的关系为

将式(6)带入公式(2)化简得

f(x_n,t)＝(-1)ⁿA(t) (7)

下一步，从t时刻振动弹性体5的x_n处振动位移中寻找位置极值，即寻找上述f(x_n,t)中的极值。由式(7)可知，f(x_n,t)的振幅绝对值为A(t)，因此A(t)求导即可得到f(x_n,t)的极值情况，令A(t)对变量t求导，令导数值为零：

化简得如下表达式：

(cosφ+cosθ)sin(2ωt+θ)＝0 (9)

其中φ是空间上的相位(φ＝2πm+Δφ,Δφ在0～2π之间变化，若振动弹性体5支撑长度L增加λ，φ增加2π)，θ是激励信号在时间上的相位(θ在0～2π之间变化，通过改变两路激励信号的相位差调节θ)。

式(9)是振动弹性体5上振动位移取得极值时需要满足的条件，为了找到行波点，需要求解出振动位移的最大值和最小值相等时θ和φ对应的关系。下面结合公式(9)进行分类讨论，求解最大振动位移与最小振动位移相等时θ和φ应该满足的关系：

当(cosφ+cosθ)≠0时，振动弹性体5上位移极值的情况：

根据式(9)可知，sin(2ωt+θ)＝0，求得振动弹性体5取得位移极值的时间

将t₁和t₂代入到A(t)中可以得到振动弹性体5的位移极值

和

振动弹性体5上质点最大振动位移为

振动弹性体5上质点最小振动位移为

当最大振动位移与最小振动位移相等，A_max(θ，φ)＝A_min(θ，φ)≠0时，振弹性体5上质点的振幅相同且不为零。

通过公式(10)(11)得到等式进一步得到θ和φ满足如下关系

θ+φ＝π+2kπ或θ-φ＝π+2kπ

当sin(2ωt+θ)≠0时，振动弹性体5上位移极值的情况：

根据式(9)可知，(cosφ+cosθ)＝0，求得振动弹性体5取得位移极值的关系满足

θ+φ＝π+2kπ或θ-φ＝π+2kπ

综上所述，结合式(9)得到的振动弹性体5振幅表达式取极值需要满足的条件进行分析，得出振动弹性体5上任何位置的振动位移振幅相等时，即实现纯行波传输的条件为：

当0≤Δφ≤π时，θ＝π-Δφ或θ＝π+Δφ

当π≤Δφ≤2π时，θ＝3π-Δφ或θ＝Δφ-π (12)

具体实施方式三：

下面结合图1-6说明本实施方式，本实施方式对实施方式二作进一步说明，由步骤二得到的关系表达式，找出行波模式下时间相位差Ⅱθ和空间相位差φ的关系，振动弹性体5支撑距离l₂＝mλ+ΔL,空间相位φ＝kl₂＝2mπ+Δφ，当ΔL＜λ/2时，调节激励相位差θ＝π-Δφ或θ＝π+Δφ；当λ/2＜ΔL＜λ时，调节激励相位差θ＝3π-Δφ或θ＝Δφ-π；如图2所示l₂为振动弹性体5的支撑距离，l₁和l₃为沿着振动弹性体5长度方两个支撑位置到振动弹性体5边缘的最近距离，不管振动弹性体5支撑距离L如何变化，都通过激励相位θ补偿空间相位Δφ，从而可以实现纯行波传输。绘制出振动弹性体5最大振动位移随相位差Ⅱθ的变化曲线可以指导实验装置进行行波悬浮传输实验；根据行波模式下振动弹性体5振幅随空间相位差φ的关系曲线，可以得到实验装置经过激励补偿后的振幅情况；绘制出时间相位差Ⅱθ和空间相位差φ变化曲线，针对不同的振动弹性体5可以根据曲线寻找出需要补偿的相位差Ⅱθ。

具体实施方式四：

下面结合图1-6说明本实施方式，本实施方式对实施方式三作进一步说明，激光测振仪6测量振动弹性体5振速实验，对整个振动弹性体5进行振速扫描，找出振动弹性体5生成行波声场时的相位差Ⅱθ，进一步得到超声行波悬浮传输装置的空间相位差φ。

具体实施方式五：

下面结合图1-6说明本实施方式，本实施方式对实施方式四作进一步说明，空间相位差φ是由超声换能器Ⅰ3-1和超声换能器Ⅱ3-2的支撑点之间的距离l₂产生的，设置超声换能器Ⅰ3-1的激励信号的相位为0°，超声换能器3-2Ⅱ的激励信号的相角为θ,θ从0调整到2π，通过激光测振仪6测量振动弹性体5上质点的振速，找出振动弹性体5各个质点振速幅值相同时对应的激励信号的相位差Ⅱθ。

具体实施方式六：

下面结合图1-6说明本实施方式，本实施方式对实施方式五作进一步说明，根据步骤三得到的实验装置的空间相位差φ，找出振动弹性体5上任意位置最大振动位移和振动位移相等时对应的时间相位差Ⅱθ，将超声换能器Ⅰ3-1和超声换能器Ⅱ3-2的相位差Ⅰ调节为该纯行波点对应的相位差Ⅱ，实验装置能够产生行波声场。

具体实施方式七：

下面结合图1-6说明本实施方式，本实施方式对实施方式六作进一步说明，根据振动弹性体5上任意位置的最大振动位移和最小振动位移随相位差Ⅰθ的变化关系，可以指导超声行波悬浮传输装置进行行波悬浮传输实验；根据行波模式下时间相位差Ⅱθ和空间相位差φ变化关系，针对不同的振动弹性体5可以找出需要补偿的相位差Ⅱθ。

具体实施方式八：

下面结合图1-6说明本实施方式，本实施方式对实施方式七作进一步说明，所述两路激励信号的激励频率都设定为实验装置的设计谐振频率。

当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。