[发明专利]一种多物理环境可控的声悬浮实验装置

说明书

技术领域

本发明属于功率超声非接触技术，涉及一种实验温度、湿度和压强可控的多变幅杆自动声悬浮科研实验装置。

背景技术

随着材料工业的高速发展，对制备新型材料的物理环境要求也越来越高。全方位的进行科研实验往往需要将实验对象在不同物理环境下进行观测。声悬浮技术的出现及其近年来的飞速发展，为上述的实验环境与测量提供了新的思路和可能。

声悬浮是在重力或微重力空间利用强驻波声场中产生的声辐射力与悬浮样品重力相平衡，而使悬浮样品稳定悬浮在声场中的一门新兴技术。它是高声强条件下的一种非线性现象。因为对悬浮样品没有电磁学性质的一些特殊要求，理论上可以悬浮各种性质的材料，而且不附加热效应，所以受到人们的青睐。声悬浮可以模拟空间环境中的无容器状态，避免了坩埚对材料表面的接触与污染，对研究晶体形核和制备高纯物质等具有重要的价值。在超声减摩、无容器处理、非接触超声马达、高精度加工、研究新型材料等方面都有广泛的应用。

单轴式声悬浮器，其主要由超声波发生系统和单轴式声悬浮系统组成。其中，超声波发生系统又由超声波发生器及换能器组成。超声波发生器是一个超音频电信号的功率源，其作用是将交流电转变为超声频电功率输出，为整个系统提供振动能量。换能器的作用是将超声波发生器产生的超音频电振荡信号转换为机械振动。单轴式声悬浮系统则主要由变幅杆、声发射端、声介质(空气)、悬浮样品和声反射端等组成。变幅杆的主要作用有两个：一是将机械振动的位移或速度振幅放大，或者把能量集中在较小的辐射面上，即聚能作用；另一个作用是作为机械阻抗的变换器，使超声能量由超声换能器更有效地向负载传输。其中声发射端与声反射端轴线与重力方向一致，通过声发射端与声反射端形成一个谐振腔，利用声辐射力抵消作用在样品上的重力来实现样品悬浮。通过调节与变幅杆连接的声发射端与声反射端之间的距离，以便使振动源与介质达到最佳耦合，使介质处于谐振状态。从而使待悬浮的样品悬浮在声介质中的驻点位置。通过微调声反射端的位置，改变声发射端-反射端之间的距离，可以一定程度上改变悬浮样品所受的声辐射力大小。

尽管声悬浮装置的研制已经有了一些进展，其中包括西北工业大学的宁方立、韦娟依等人发明的《单轴式声悬浮装置》(专利公开号为CN101093190)，针对基本的科研悬浮实验进行设计，实现了悬浮更大密度的样品；吉林大学的江海、李敏娇等人发明的《一种超声波加热悬浮装置》(专利公开号为CN106477333A)，可以适当性的改变谐振腔温度，通过对悬浮环境加热来研究温度对悬浮性能的影响。但是现有的专利设计过于简单，实验条件单薄，不能够满足综合性更强的科学实验。例如，针对气溶胶类悬浮样品的观测需要尽可能多的改变实验的物理环境，例如温度、湿度和压强等来研究不同环境参数变化对悬浮性能的影响，确保工业生产中产品能适应各种环境或者避免因为环境的变化而对产品的性能造成影响；针对待悬浮样品种类的差异(固体、液体或者两者混合物等)，应用场合的不同(功率不同，频率不同等)，往往需要选择不同类型的变幅杆(阶梯型、圆锥型和指数型等)来达到一个最优的效果；就观察型实验而言，实现对悬浮样品动态连续的形态变化观察十分必要，有助于发现悬浮样品在不同物理环境下的变化。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种多物理环境可控的声悬浮实验装置，能够满足不同物理实验环境需求，同时根据不同待悬浮样品任意选择不同类型变幅杆。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种多物理环境可控的声悬浮实验装置，包括支撑底座、支撑杆、气压表、超声波发生器、换能器、转换器、阶梯型变幅杆、圆锥形变幅杆、指数型变幅杆、声反射端、电动升降平台、加湿器、透明耐压罩、加热管、温度传感器和湿度传感器。

所述的支撑底座与透明耐压罩密封连接，形成一个密闭的空腔；在该空腔内，所述的电动升降平台安装在支撑底座上，通过电机驱动带动电动升降平台上的声反射端上下移动；所述的换能器通过支撑杆固定在支撑底座上，超声波发生器的输出端连接换能器，换能器下端连接转换器，转换器上安装有阶梯型变幅杆、圆锥形变幅杆和指数型变幅杆，通过转换器的运动，确保其中一个变幅杆与换能器的输出端同轴，且该变幅杆的声发射端正对声反射端；所述的空腔内还安装有加湿器、加热管、气压表、温度传感器和湿度传感器，还开有连通外界或输气装置的通气孔。

所述的电机、加湿器和加热管通过遥控器实现非接触控制或通过单片机实现程序控制。

所述的支撑杆为中空柱体，超声波发生器的电源走线通过支撑杆连接到底座，并通过在底座中走线与电源箱相连。