[发明专利]近场超声波悬浮力的精确定量计算方法

权利要求书

1.近场超声波悬浮力的精确定量计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：

确定超声发生装置中的超声换能器以及超声辐射振动盘的尺寸，建立有限元动力学模型，并对该模型进行模态分析，得到共振频率及振形，在所得阵型中，确定适合超声换能器驱动的频率作为实际驱动频率；

步骤二：

根据步骤一所确定的驱动频率，对超声装置进行谐响应分析，得出其工作时位移的分布及随时间的变化，得到挤压气膜运动边界的动态响应 

是一个随半径r和时间t变化的量，体现了超声辐射过程中振动盘的弯曲模态和周期振动的特性；

步骤三：

建立考虑气体惯量的挤压气膜动力学模型，并确定模型参数；根据步骤二进一步得出声辐射表面的振动位移分布随时间的变化，将其作为动力学方程的时变边界条件；

步骤四：

根据步骤三得出的动力学方程的非线性和高阶效应，以及高精度差分格式，得出具体求解格式；

步骤五：

根据步骤四建立的差分格式求解非线性偏微分方程，得出声辐射表面气压分布以及悬浮力大小。

2.根据权利要求1所述的近场超声波悬浮力的精确定量计算方法，其特征在于，所述超声换能器是压电陶瓷换能器。

3.根据权利要求2所述的近场超声波悬浮力的精确定量计算方法，其特征在于，步骤一中所述的建立装置的有限元动力学模型，是指针对产生近场声波的整套装置进行的有限元分析建模，该装置包括压电叠堆振子，变幅杆以及产生超声辐射声场的振动盘；其中振动盘的上表面为近场超声的辐射表面，该表面的振动模态决定了超声波声场的形成，是声场所在的挤压气膜的动态边界；根据所见模型进

行模态分析，模型中的网格为轴对称分布，根据计算结果得到装置的前几阶谐振频率及相应振形，并确定该装置的工作频率和振形。

4.根据权利要求3所述的近场超声波悬浮力的精确定量计算方法，其特征在于，步骤二中所指的谐响应分析是指在确定了工作频率和振形以后，对所述有限元动力学模型输入相应频率和实际运行使用的电压，得到模型的动力学响应；响应包括超声发生装置各部分的形变，振幅的分布，应力应变的分布以及运动速度；谐响应分析中，输入电压信号与实际悬浮过程的输入电压一致，从而使得谐响应分析能够对实际工况进行仿真，得到挤压气膜运动边界的动态响应。

5.根据权利要求4所述的近场超声波悬浮力的精确定量计算方法，其特征在于，步骤三中所述的建立挤压气膜的动力学模型，是指基于纳维-斯托克斯方程建立的实际流体动力学模型，其表面力包括法向力和切向力，即压力和粘滞力。

6.根据权利要求5所述的近场超声波悬浮力的精确定量计算方法，其特征在于，所述挤压气膜的动力学模型内气体为等温经典牛顿流体，在考虑层流和气体粘性，并且考虑气体惯量的条件下，挤压气膜的轴对称本构方程为

7.根据权利要求6所述的近场超声波悬浮力的精确定量计算方法，其特征在于，所述的非线性和高阶效应，是指步骤三中所得挤压气膜本构方程，在考虑了复杂

的边界条件以后，形成非线性对流扩散方程；所述的高阶差分格式，是指针对求解悬浮力，需要对模型进行高阶差分，保留高阶项的差分格式，具体如下：

一般的非齐次对流扩散方程可以表述为：

8.根据权利要求7所述的近场超声波悬浮力的精确定量计算方法，其特征在于，所述步骤五中，根据步骤四所得的差分格式，先将挤压气膜方程转换成非齐次对流扩散方程的一般格式，提取对应项的参数，求解出气压在悬浮表面的分布P；所述的P在一个周期内的平均值为平均压力，平均压力在声辐射表面的分布为

所述的整个声场产生的悬浮力是指声场产生的气压比大气压高的那部分

理上产生使物体悬浮的效果，悬浮力由气压分布在声辐射表面积分得来，其计算公式为：

。