一种超声悬浮装置的制作方法

本发明涉及一种悬浮装置，特别是一种超声悬浮装置，属于超声阵列悬浮领域。

背景技术：

目前，国内外超声阵列悬浮物体的研究大多是基于驻波的原理，其特点是悬浮物体的尺寸不能超过超声波的半个波长，而且由于产生的声悬浮力必须要与悬浮物的重力相抵消，悬浮装置基本上都置于悬浮物体的底部，一些液体悬浮物意外的滴落污染也会在研究应用中对悬浮装置的性能造成影响。采用驻波原理的超声悬浮装置能悬浮的物体尺寸受声波波长限制，其垂直结构不利于悬浮颗粒的回收和再实验。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种超声悬浮装置，悬浮的物体不受声波波长的限制。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种超声悬浮装置，其特征在于：包含换能器阵列、凹球面支架、驱动器、控制器和直流稳压电源，换能器阵列设置在凹球面支架内侧并且换能器阵列中每个换能器产生的声束线均经过凹球面支架的球心，换能器阵列中每个换能器对应连结一个驱动器，驱动器固定在凹球面支架外侧，所有驱动器与控制器连结，直流稳压电源与控制器和所有驱动器连结用于给控制器和所有驱动器提供直流电压，换能器阵列在控制器控制下不断改变换能器的相位产生旋涡状涡旋声场。

进一步地，所述凹球面支架由一个球形的下半球面沿水平方向割去球面底部构成。

进一步地，所述换能器阵列包含多个换能器，多个换能器分成若干组，每组换能器呈环形分布在凹球面支架内侧并且每组换能器构成的圆环沿水平方向设置，若干组换能器沿竖直方向均匀分布在凹球面支架内侧，并且上下相邻的两组换能器交叉设置。

进一步地，所述凹球面支架的内侧壁上对应每个换能器均设置有一个安装槽口，安装槽口的形状与换能器匹配。

进一步地，所述凹球面支架上对应每个驱动器位置都开有贯穿凹球面支架侧壁的通孔，换能器阵列中的每个换能器背面管脚从凹球面支架内侧沿通孔向外穿出凹球面支架侧壁并且管脚与驱动器固定连接。

进一步地，所述驱动器也为多个，多个驱动器与换能器位置一一对应，上下相邻的两组驱动器高低交错设置。

进一步地，所述控制器模块的多个信号输出端分别与多个驱动器的信号输入端连接。

进一步地，所述驱动器包含栅极驱动器d1、旁路电容c1、旁路电容c2和反相器d2，栅极驱动器d1的2脚和反相器d2的2脚均与控制器的信号输出端pan连接，栅极驱动器d1的3脚和反相器d2的3脚均接地，反相器d2的4脚连接栅极驱动器d1的4脚，反相器d2的5脚连接5v电源，栅极驱动器d1的6脚连接+12v电源并且与旁路电容c1一端以及旁路电容c2一端连接，旁路电容c1另一端和旁路电容c2另一端接地，栅极驱动器d1的5、7脚分别与换能器的两个管脚连接。

进一步地，所述栅极驱动器d1采用型号为eg27324的双路驱动芯片，反相器采用型号为nl17sz14的单路逆变器芯片。

进一步地，所述控制器采用采用型号为stm32h743iit6的核心板。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

本发明的超声悬浮装置通过控制器不断改变换能器的相位，形成了一种类似旋涡的涡旋声场，使得涡旋声场中心悬浮的物体不受声波波长的限制，可以稳定地悬浮物体；换能器阵列环形分布并且支架底部空心，这样无论撤消涡旋声场与否，悬浮物体的掉落不会对超声悬浮装置造成损伤；超声悬浮装置无需正负电源，只需要一个正直流电源即可工作，同事悬浮装置的换能器和驱动结构是一体连接的，每个换能器和驱动结构是相互独立的，工作时不会互相影响。

附图说明

图1是本发明的一种超声悬浮装置的示意图。

图2是本发明的一种超声悬浮装置的凹球面支架的俯视图。

图3是本发明的一种超声悬浮装置的凹球面支架的侧视图。

图4是本发明的一种超声悬浮装置的换能器阵列安装示意图。

图5是本发明的一种超声悬浮装置的模块连接示意图。

图6是本发明的一种超声悬浮装置的驱动器电路图。

图7是本发明实施例的超声悬浮装置产生的涡旋声场在xy平面的强度分布图。

图8是本发明实施例的超声悬浮装置产生的涡旋声场在xy平面的相位分布图。

图9是本发明实施例的换能器的初始相位分布图。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

如图1所示，本发明的一种超声悬浮装置，包含换能器阵列1、凹球面支架2、驱动器3、控制器和直流稳压电源，换能器阵列1设置在凹球面支架2内侧并且换能器阵列1中每个换能器产生的声束线均经过凹球面支架2的球心，换能器阵列1中每个换能器对应连结一个驱动器3，驱动器3固定在凹球面支架2外侧，如图5所示，所有驱动器3与控制器连结，直流稳压电源与控制器和所有驱动器连结用于给控制器和所有驱动器提供直流电压，换能器阵列在控制器控制下不断改变换能器的相位产生旋涡状涡旋声场。本发明采用了声涡的原理，悬浮的物体尺寸可以突破声波波长的限制。

如图2所示，凹球面支架2由一个球形的下半球面沿水平方向割去球面底部构成。这样超声悬浮装置的底部不设置任何的换能器阵列，在超声悬浮装置停机时，悬浮物直接从底部掉落，不会对超声悬浮装置造成损伤。壳体具有一定的厚度，保证超声换能器稳定地安装在凹球面支架2上，不会对支架造成形变。

换能器阵列1包含256个换能器，256个换能器分成若干组，每组换能器呈环形分布在凹球面支架2内侧并且每组换能器构成的圆环沿水平方向设置，若干组换能器沿竖直方向均匀分布在凹球面支架2内侧，并且上下相邻的两组换能器交叉设置。超声悬浮装置能够装配256个超声换能器，换能器阵列分为八环交错排列在支架上，每环有32个换能器。由于换能器为圆形，因此采用上下相邻换能器的左右位置交叉方式，可以减小换能器之间的间隙，使换能器的排布更加的紧密。换能器产生的涡旋声场可以悬浮直径0-4mm的聚苯乙烯颗粒，而且悬浮物体的理化性质在实验过程中不会影响悬浮装置，悬浮装置的结构也更加开放。

凹球面支架2的内侧壁上对应每个换能器均设置有一个安装槽口4，安装槽口4的形状与换能器匹配。换能器安装的时候，直接卡设在安装槽口4内，方便对换能器的安装位置进行定位。如图3所示，凹球面支架2上对应每个驱动器3位置都开有贯穿凹球面支架2侧壁的通孔5，如图5所示，换能器阵列1中的每个换能器背面管脚从凹球面支架内侧沿通孔向外穿出凹球面支架2侧壁并且管脚与驱动器3固定连接。驱动器3也为256个，256个驱动器3与换能器位置一一对应，上下相邻的两组驱动器3高低交错设置。驱动器3共有8层，每层有32个驱动器环绕，对应32个换能器，换能器可以独立安装和更换。

如图5所示，控制器模块的多个信号输出端分别与多个驱动器的信号输入端连接。

如图6所示，驱动器包含栅极驱动器d1、旁路电容c1、旁路电容c2和反相器d2，栅极驱动器d1的2脚和反相器d2的2脚均与控制器的信号输出端pan连接，栅极驱动器d1的3脚和反相器d2的3脚均接地，反相器d2的4脚连接栅极驱动器d1的4脚，反相器d2的5脚连接5v电源，栅极驱动器d1的6脚连接+12v电源并且与旁路电容c1一端以及旁路电容c2一端连接，旁路电容c1另一端和旁路电容c2另一端接地，栅极驱动器d1的5、7脚分别与换能器的两个管脚连接。其中，栅极驱动器d1采用型号为eg27324的双路驱动芯片。反相器采用型号为nl17sz14的单路逆变器芯片。控制器采用采用型号为stm32h743iit6的核心板

本发明的工作原理为：超声悬浮装置在工作时，控制器的每个信号输出通道会输出相位不同的pwm信号，每个信号相互独立，互不影响，pwm信号进入驱动模块，经过处理后产生功率更高的方波，方波输出到换能器的管脚上，驱动换能器产生超声波。控制器在工作时不断改变输出信号的初始相位，每个换能器产生的超声波在介质中传播并互相作用，就会形成涡旋声场。使用的时候，打开直流电源，使用特制的声学透明勺子将悬浮物体置于凹球面的球心处，即图2中位置6处，拿开勺子，可以稳定地悬浮物体。

本发明的超声悬浮装置通过控制器不断改变换能器的相位，形成了一种类似旋涡的涡旋声场，使得涡旋声场中心悬浮的物体不受声波波长的限制，可以稳定地悬浮物体；换能器阵列环形分布并且支架底部空心，这样无论撤消涡旋声场与否，悬浮物体的掉落不会对超声悬浮装置造成损伤；超声悬浮装置无需正负电源，只需要一个正直流电源即可工作，同事悬浮装置的换能器和驱动结构是一体连接的，每个换能器和驱动结构是相互独立的，工作时不会互相影响。

本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。