近场超声悬浮球形转子运动规律研究

与驻波声悬浮相比较，近场声悬浮具有悬浮高度小，悬浮力大的特点，适合悬浮质量较大的物体。但是由于人们对近场声悬浮的研究起步较晚，对其中的物理机制缺乏全面的和深入的了解，其应用范围受到限制。另一方面，虽然已有将近场声悬浮应用于陀螺仪领域的设想，但还未能获得关键技术的突破。.因此本项目拟开展近场声悬浮球形物体的基础实验和理论研究，揭示近场声悬浮球形物体的运动特点与规律，得到悬浮力、悬浮稳定性与超声波强度、频率、振动面几何形状等因素的关系，努力提高近场声悬浮球形物体的能力，实现大质量大尺寸球形转子的三维空间定位和稳定悬浮。在以上研究的基础上进一步实现球形转子的高速旋转，揭示近场声悬浮条件下球形转子的运动特点及规律，解决近场声悬浮陀螺仪研制过程中的关键技术问题，探索近场声悬浮陀螺仪在航空航天等领域应用的可行性。

在自然基金的支持下，我们首先对近场声悬浮理论和模拟方法进行了研究，建立了近场声辐射力理论计算模型，利用该模型成功预言了近场声悬浮球体模型的多频工作模式。其次，设计并加工了近场声悬浮球体悬浮实验系统，成功实现了0到1kg大质量球体的高速旋转（悬浮高度几十微米），最大转速达到6000转/分，最长持续时间超过10分钟。实验发现球体的悬浮高度随声功率的增大而在增大，随声发射凹面深度的减小而减小，转速衰减符合指数衰减规律。为揭示这一规律，我们建立了球体旋转的阻力模型，理论模拟和实验测量了球体所受阻力与几何参量之间的关系，理论数据与实验数据符合地很好。. 这些研究结果分别发表在Review of Scientific Instruments, Journal of Acoustic Society of America等国际期刊上，为声悬浮陀螺仪的开发研制提供参考。另外，在基金的支持下，我们还对声悬浮条件下合金凝固表面波现象进行了研究，结果发表在Applied Physics Letters上。