高频超声清洗中声场分布的仿真及实验研究

高频超声乃至兆声清洗广泛应用于半导体器件的超精密清洗,可以有效去除纳米颗粒污染。其中,声能在声场中的分布决定了清洗效果,包括去除均匀性和清洗对象破坏。对于矩形清洗槽内的声场分布,采用简正分解理论直接求解声压分布。结果表明,兆声声能集中于声源辐射轴所在的局部区域,声压波腹和波节分布反映声源振动面形状,而超声波声能扩散至全声场。采用水听器对超声波声场声压分布进行测量,与理论结果相符。由于截断误差和非线性空化误差的存在,理论值小于实验测量结果。     

液体超声驻波声场实验研究

研究了以蒸馏水为介质的驻波声场对微小颗粒群的作用,观察了颗粒群的运动规律,并应用声流和声辐射压力理论对其进行分析.运用谱分析方法,探讨了驻波声场中的空化现象.结果表明,大部分颗粒在声压波腹处聚集,而在声压波节处明显出现了高次谐波,说明空化效应发生在声压波节处.     

Bjerknes力对微气泡运动特性的影响

以水为工作介质,利用气泡的控制方程,模拟微气泡在驻波声场中运动特性,分析了Bjerknes力对气泡运动轨迹的影响.结果表明:不同声压下,同一位置或相同声压不同位置的气泡所受到的Bjerknes力的系数相差几个数量级,气泡在向声压波腹区域移动过程中,所受的主Bjerknes力先增大后减小,而次Bjerknes力一直增大,它们的作用使气泡在声轴周围形成一个圆环,声压越大,圆环越大.     

凹球面双发射极超声阵列悬浮能力研究

为了克服传统一维单轴声悬浮装置的悬浮能力较弱的问题,设计了凹球面双发射极超声阵列。首先,分析了驻波悬浮机理,采用COMSOL有限元分析软件对不同阵列凹球面半径进行仿真得到声压分布和最大声压值,确定出最优阵列凹球面半径值,并根据优化结果制作了凹球面双发射极超声阵列装置。然后,建立超声阵列与空气介质中声场的声固耦合模型,仿真分析激励电压区间递增的驻波声场声压分布情况。最后,搭建超声阵列驻波悬浮实验平台对仿真结果进行验证。实验结果表明:当激励电压分别为8、12、16和20V时,悬浮能力分别为27.8、36.2、48.2和65.4mg。与传统一维单轴超声驻波声悬浮装置的悬浮能力对比,在激励电压分别为12、16和20V时,悬浮能力分别增加了30.2%、73.4%和135.3%。凹球面双发射极超声阵列装置能够有效地提高驻波的悬浮能力。     

聚合物超声塑化过程中声场模拟与实验研究

针对聚合物超声塑化过程中的超声声场分布问题,采用仿真与实验相结合的方法进行研究。基于多元高斯声束叠加理论,仿真研究聚合物超声塑化过程中的声场分布。通过自行设计制造的聚合物超声塑化检测装置,研究塑化过程中聚合物轴线处的声压分布规律。研究结果表明:实际超声声压在离工具头距离约1.5 mm处作用最强,约达1.8 MPa,其后随距离的增大而逐渐递减;在近场区,实际声压幅值不存在仿真中剧烈波动的情形,声压幅值相对稳定,在远场区,实际声压幅值接近仿真值;固态聚合物所受超声声压较大,聚合物熔融后,声压幅值降低,实际声压因受反射、透射以及衰减的影响小于仿真值。     

水听器法测量功率超声振动珩磨空化声场分布

为了直接、简便地研究功率超声振动珩磨作用下的空化效应,对其声场建立数学模型,采用水听器对功率超声振动空化声场参数进行了定点测量,对数学模型所得到的仿真结果进行验证。为了研究流体介质中超声空化声场的分布情况,采用水听器法对不同功率与不同种类液体介质中的辐射超声场进行了多点声压测量。通过对比试验数据分析发现,声波沿换能器截面方向成对称分布,沿换能器轴向方向随距离的增加而衰减;不同种类的液体介质也会影响声压的分布以及空化效应的强弱。该方法可以直观的评价超声振动珩磨作用下的空化声场的强度和分布情况,对后续研究超声珩磨的空化泡动力学行为以及对超声振动珩磨装置的优化设计具有一定的实际应用价值。     

超声珩磨工具头横向辐射声场的建模与仿真

对受纵向激励振动的功率超声珩磨工具头的横向辐射声场进行研究,以流固耦合系统运动方程为基础,利用弹性力学对超声珩磨工具头三维横向辐射声场进行理论计算,并通过有限元仿真分析了工具头横向辐射声场的声压分布规律。结果表明,该声场中的声压大小及分布分别与流固界面处振动工具头表面的应力大小和分布相有关。改变激励频率的大小,可以间接地改变横向辐射声场的声压分布。     

双凹面聚焦超声波场中悬浮粒子操控原理与实验仿真

为提高聚焦超声波场的悬浮能力以及拓宽悬浮粒子的移动区域, 研究了超声波场中声压大小的计算公式以及凹球面阵列中阵元的延迟时间与聚焦点位置的关系式, 并运用COMSOL多物理场软件进行仿真验证. 通过搭建双凹球面超声波阵列悬浮装置, 控制发射极信号相位实现了悬浮粒子在竖直方向上的移动, 实验中粒子的运动轨迹与仿真结果有较好的一致性. 结果表明:双凹球面超声波阵列声场声压更强、聚焦性更好, 且可通过对阵元相位信号的控制实现悬浮粒子在二维平面的移动.     

改善超声清洗中声场均匀性的研究进展

超声清洗是功率超声最为广泛的应用之一,清洗效果受各种条件影响.为了改善驻波声场对清洗效果的影响,分析了声场分布在超声清洗中的影响作用,综述了近年消除驻波、改善声场均匀性的超声清洗新技术,对超声清洗技术的发展作出了展望.     

超声声场中气泡的锥状聚集现象

从非线性KZK（khokhlov—zabolotskaya-kuznetsov）方程出发，利用分离变量法，得到了换能器的声场分布表达式和声场分布图．结果表明，当轴向距离大于瑞利距离时，声压随距离增加逐渐减小到某一极限值，近似为平面波．声场中气泡锥状聚集主要发生区域是声压较大且呈现梯度的区域，气泡脉动影响声场分布，气泡间的Bjerknes力作用对气泡在高声压区的分布有调节作用，从而可引起声场出现锥状气泡结构现象．