一种提升近场声悬浮性能的超声换能器优化方法及系统

本发明属于超声换能器优化与近场声悬浮，尤其涉及一种提升近场声悬浮性能的超声换能器优化方法及系统。

背景技术：

1、近场声悬浮是一种非接触悬浮技术，其工作原理为：超声换能器驱动振动盘产生高频振动，在振动盘与悬浮物体之间形成厚度仅数十至数百微米的气膜，空气受到高频挤压产生非线性动压效应，使气膜内部压力高于环境大气压，依靠高压气膜的支撑力平衡悬浮物体自身重力，最终实现稳定悬浮。由于悬浮高度远小于超声波波长，该技术被称为近场声悬浮。与磁悬浮相比，近场声悬浮不受悬浮物体材质、导电性、导磁性限制，金属、陶瓷、生物薄片等各类固体均可实现悬浮；与气悬浮相比，整套系统无需外接气源和高压发生装置，结构紧凑、布置灵活，且系统激励参数可实时调节。基于上述优势，近场声悬浮在精密零件传输、半导体晶圆搬运、精密仪器减振等领域展现出广阔的应用前景。

2、在近场声悬浮系统中，郎之万超声换能器是核心驱动部件，压电陶瓷作为核心激振元件，其厚度参数直接影响换能器谐振频率、振动盘振动幅值与振型分布，进而改变挤压气膜的压力场分布，最终决定悬浮系统的振动幅度、悬浮高度与悬浮精度。目前，现有技术大多仅开展悬浮机理或流场仿真研究，缺少以压电陶瓷厚度为核心变量并结合有限元仿真与悬浮动力学模型的系统性优化方案。在实际工程应用中，压电陶瓷厚度选取不当，会直接导致换能器机电转换效率低、振动盘振幅不足，进而造成悬浮气膜厚度减薄、承载能力下降，同时悬浮物体的振荡幅值增大、悬浮精度降低，回复力减弱，严重制约了其在超精密零件传输、半导体晶圆搬运等领域的可靠应用。由于压电陶瓷厚度与换能器振动特性之间存在复杂的非线性耦合关系，如何准确量化该参数对综合悬浮性能的影响并建立一套完整的优选流程，是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了一种提升近场声悬浮性能的超声换能器优化方法及系统，以解决上述现有技术存在的问题。

2、第一方面，为实现上述目的，本发明提供了一种提升近场声悬浮性能的超声换能器优化方法，包括以下步骤：

3、s1、建立由超声换能器及振动盘构成的振动系统有限元模型，进行模态与谐响应分析，以获得振动盘振幅分布；

4、s2、基于所述振幅分布，建立考虑悬浮物体偏心与倾斜的挤压气膜模型，并通过数值求解得到稳态下的气膜压力与厚度分布；

5、s3、对所述气膜模型施加小扰动分析，获取气膜等效动态特性，构建悬浮物体振荡模型，并计算承载能力、悬浮精度及回复力；

6、s4、针对两个以上不同的压电陶瓷厚度值，重复执行步骤s1至s3，获得各厚度值对应的悬浮性能数据，通过数据比对确定使综合悬浮性能最优的压电陶瓷厚度，以完成优化。

7、可选的，建立由超声换能器及振动盘构成的振动系统有限元模型的过程包括：

8、建立近场声悬浮振动系统的三维实体模型，所述振动系统由郎之万换能器、变幅杆和振动盘组成；

9、将三维实体模型导入有限元分析软件，定义各部件材料参数并划分网格；

10、进行模态分析以获得超声换能器的二阶纵向谐振频率与振型；

11、施加所述谐振频率的激励电压，进行谐响应分析，获得振动盘径向全域振幅分布函数与最大振动幅值。

12、可选的，建立考虑悬浮物体偏心与倾斜的挤压气膜模型的过程包括：

13、设定悬浮物体与振动盘之间的偏心距和倾斜角，结合所述振动盘振幅分布，推导得到气膜厚度表达式，所述表达式由平均气膜厚度、振动盘最大振动幅值、振动盘归一化振幅分布函数及位置坐标构成；

14、基于所述气膜厚度表达式，建立描述挤压气膜内部压力分布的无量纲雷诺方程。

15、可选的，数值求解得到稳态下的气膜压力与厚度分布的过程包括：

16、采用八点离散法对所述无量纲雷诺方程进行离散；

17、使用牛顿-拉夫逊迭代法求解离散后的方程，并以挤压膜产生的悬浮力与悬浮物体重力相平衡为稳态条件，迭代获得稳态下的气膜压力分布与气膜厚度分布。

18、可选的，对气膜模型施加小扰动分析，获取气膜等效动态特性，构建悬浮物体振荡模型并计算悬浮精度及回复力的过程包括：

19、引入小扰动法，建立描述扰动压力的偏微分方程，所述扰动压力由位移扰动引起的分量和速度扰动引起的分量组成；

20、结合边界条件求解所述偏微分方程，获得扰动压力分布，并基于此计算挤压气膜的等效刚度与等效阻尼；

21、将挤压气膜等效为弹簧-阻尼系统，建立悬浮物体动力学振荡模型，利用等效刚度与等效阻尼计算悬浮物体的振荡幅值以表征悬浮精度；

22、通过气膜压力分布剪切应力积分计算偏心状态下悬浮物体所受的回复力，并满足力矩平衡条件。

23、可选的，针对两个以上不同的压电陶瓷厚度值，重复执行步骤s1至s3并确定最优厚度的过程包括：

24、采用控制变量法，保持超声换能器其余结构参数、材料、激励电压及悬浮物体参数不变，仅改变压电陶瓷厚度值；

25、对每一厚度值，重复执行建立模型、求解气膜分布、施加扰动分析并计算悬浮性能的步骤，记录振动盘最大振幅、平均气膜厚度、悬浮物体振荡幅值及回复力；

26、综合比对不同厚度下的各项性能指标，选取使综合悬浮性能达到最优的压电陶瓷厚度，作为超声换能器的设计参数。

27、第二方面，本发明还提供了一种提升近场声悬浮性能的超声换能器优化系统，用于实施一种提升近场声悬浮性能的超声换能器优化方法，所述系统包括：

28、振动特性获取模块，用于建立由超声换能器及振动盘构成的振动系统有限元模型，进行模态与谐响应分析，获得振动盘振幅分布；

29、气膜稳态求解模块，用于基于所述振幅分布，建立考虑悬浮物体偏心与倾斜的挤压气膜模型，并通过数值求解得到稳态下的气膜压力与厚度分布；

30、悬浮性能计算模块，用于对所述气膜模型施加小扰动分析，获取气膜等效动态特性，构建悬浮物体振荡模型，计算承载能力、悬浮精度及回复力；

31、优化比较模块，用于针对两个以上不同的压电陶瓷厚度值，调用所述振动特性获取模块、气膜稳态求解模块和悬浮性能计算模块，获得各厚度值对应的悬浮性能数据，通过数据比对确定使综合悬浮性能最优的压电陶瓷厚度。

32、第三方面，本发明还提供了一种计算机终端设备，包括：

33、一个或多个处理器；

34、存储器，与所述处理器耦接，用于存储一个或多个程序；

35、当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现上述第一方面中提升近场声悬浮性能的超声换能器优化方法的步骤。

36、第四方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现上述第一方面中提升近场声悬浮性能的超声换能器优化方法的步骤。

37、第五方面，本发明还提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述第一方面中提升近场声悬浮性能的超声换能器优化方法的步骤。

38、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

39、本发明提供的一种提升近场声悬浮性能的超声换能器优化方法及系统，通过选取压电陶瓷厚度作为单一优化变量，剔除其余结构参数的干扰，计算流程简洁，可快速明确陶瓷厚度对换能器及悬浮系统的影响规律，优化效率高。建模过程同时考虑悬浮物体偏心与倾斜等实际情况，结合有限元仿真、气膜润滑理论、小扰动法多理论耦合，数值计算精度高，性能评估结果贴合工程实际。通过完整实现性能优化流程，可精准筛选最优压电陶瓷厚度，有效提升近场声悬浮系统的承载能力、悬浮精度与定位稳定性，适用于各类超声换能器的设计与优化。方法通用性强，可直接应用于近场声悬浮设备及超声驱动装置的结构参数设计，具备良好的工程推广价值。