题目：单轴式环形夹持力超声悬浮装置的研究

超声悬浮技术是利用高强度超声驻波场产生的声辐射力与悬浮样品的重力相平衡，使悬浮样品稳定地悬浮在声场中的技术。超声悬浮技术主要在微小样品或液滴的分析、无容器材料的处理和制备、地面空间状态模拟、太空条件的实验仿真等研究领域或工程方面有很独特地应用。
超声悬浮装置主要由超声波发生器、超声换能器和声波反射端三部分组成。目前常用的超声悬浮装置有单轴式超声悬浮装置和三轴式超声悬浮装置两种。单轴式超声悬浮装置结构简单，设计方便，但其悬浮样品的悬浮稳定性较差。三轴式超声悬浮装置使悬浮样品在空间的三个正交方向都产生悬浮力，从而获得了较好的悬浮稳定性，但它的研制成本高，设计和操作方式较为复杂，不利于应用。
本文从超声悬浮的原理出发，对各类超声悬浮装置进行分析，通过改变反射端和发射端的形状，研究并设计了一套基于单轴式的具有环形夹持力的超声悬浮装置，改进了目前普通单轴式超声悬浮装置声悬浮力小以及悬浮样品稳定性差的问题。
本文的研究内容主要包括以下几方面：
(1) 基于超声悬浮理论，从单轴式超声悬浮装置出发，改进声波发射面和反射面的形状，在超声驻波场中产生环形夹持力，提高超声悬浮的稳定性，同时进行仿真和实验验证；
(2) 研究平面发射端-反射端、凸面发射端-反射端两种超声悬浮装置的谐振腔特点，用有限元方法计算这两种超声悬浮装置谐振腔内的声场和声辐射力，并用matlab对各个谐振腔内声压以及声悬浮力的分布进行仿真，比较各谐振腔的悬浮能力及稳定性。从理论上分析影响谐振腔内最大声辐射力的三个物理因素；
(3) 在一维设计理论假设下，推导了半波阵子的频率方程，根据频率方程设计满足本研究需要的夹心式压电陶瓷换能器（钛酸铅）；设计并加工了整套超声悬浮装置，进行实验研究。
本文研究结果表明：
?(1) 平面发射端-反射端单轴式超声悬浮装置的驻波声场具有轴对称性质，满足Helmholtz方程及其边界条件，其谐振腔内的声压和声辐射力沿竖直方向呈现出周期性变化，在水平方向为常数,不能产生声辐射力梯度。在同种样品的情况下，平面发射端-反射端谐振腔内声辐射力随发射端半径的增大而减小、随入射波的频率升高而减小，在振动模式越小时，声辐射力越大；
(2) 在凸面发射端-反射端单轴式超声悬浮装置谐振腔内，声场的分布同样满足Helmholtz方程及其边界条件，其谐振腔内的声压分布和声辐射力不但在竖直方向呈现出周期性变化，在水平方向也产生了声辐射力梯度。悬浮样品在此类谐振腔内处于环形夹持力场，样品脱离悬浮区域的可能性大大减小；
(3) 对于一定的凸面发射端-反射端单轴式超声悬浮装置的谐振腔，发射端半径一定，发射端凸面高度和反射端高度之和等于半波长。在其谐振腔内的最大声辐射压力随着发射端凸面半径、入射波的频率和振动模式的变化出现一系列的峰值；
(4) 选用两个圆柱型压电陶瓷换能器进行了平面发射端-反射端超声悬浮实验，实验结果表明，在地面条件下，采用此类超声悬浮装置可以悬浮起三个样品，但其在水平方向悬浮稳定性较差，很容易脱离悬浮区域。