基于近场声悬浮效应的非接触式压电执行器的设计优化方法与性能验证

《Sensors and Actuators A: Physical》：Design Optimization Method and Performance Verification of a Non-contact Piezoelectric Actuator Based on the Near-field Acoustic Levitation effect

　　何丽|邵阳|曹朝阳|余波|邢鑫|宋泽坤|陈朝阳|刘艳萍
山东科技大学机械电子工程学院，中国青岛266590

摘要
非接触式悬浮技术有效消除了界面摩擦和接触磨损，从而提高了机械系统的运行效率和定位精度。为了解决压电执行器的能量转换效率低的问题，系统地研究了其结构设计和性能优化。首先，基于压电振动理论建立了动态模型，分析了影响辐射声功率和声功率比的关键结构参数的敏感性排序。随后，提出了一种综合优化策略，结合了正交仿真、多重非线性回归、非支配排序遗传算法II（NSGA-II）和相似性排序技术（TOPSIS），以精确确定最优结构参数。最后，通过仿真评估了优化执行器的振动和声辐射特性。优化使得辐射盘的声功率提高了1.8%，相对于背质量块的功率比提高了347%。建立了一个实验平台来评估优化设备的性能。实验结果表明，在240 VP-P的电压激励和21667 Hz的频率下，质量为2.2克的悬浮对象的稳定悬浮高度达到了221.3 μm。具有凹槽的悬浮对象在压电悬浮和气流驱动的联合作用下，可以实现178.6 rpm的非接触式稳定旋转。这项工作提出了一种高效的压电悬浮装置，适用于微负载的稳定无损操控，适用于MEMS组装、生物处理和精密传输等领域。

引言
现代高科技产业的快速发展对精密仪器和加工设备的性能提出了更高的要求。传统的机械驱动技术存在摩擦和磨损、颗粒污染以及振动和噪声等问题，这些限制了仪器和设备性能的提升[1]、[2]、[3]。非接触式悬浮技术利用各种非接触力来悬浮物体。目前，非接触式悬浮技术已在工程应用中得到应用，主要方法包括磁悬浮、静电悬浮、光学悬浮、气动悬浮和声悬浮[4]、[5]、[6]、[7]。与其他悬浮技术相比，声悬浮具有系统结构简单、对悬浮材料要求低以及悬浮能力强的特点[8]、[9]、[10]、[11]。特别是在液体样本的无容器操控方面，它取得了显著进展，极大地推动了液滴动力学和微流控技术的研究[12]、[13]。近年来，近场声悬浮因其能量更集中和结构更紧凑而成为研究的焦点。它通过高频振动在特定空间内形成声场，并产生声辐射压力来平衡物体的重力，从而实现非接触式悬浮。因此，该技术在精密制造、高速运输和生物医学领域展现出重要的潜力和研究价值[14]、[15]、[16]、[17]。

近场声悬浮（NFAL）效应利用高功率超声波在辐射器表面附近产生的声场力使物体在空气中悬浮而无需接触。该技术涉及摩擦学、流体动力学和声学等多个学科的融合[18]、[19]、[20]。2000年，东京工业大学的Ueha等人利用近场声悬浮技术成功实现了重量达10公斤的平面物体的稳定悬浮，并将其应用于非接触式运输系统和超声波电机[21]。2007年，韩国工业技术学院的Kim基于NFAL效应使一个圆形平面物体悬浮了几百微米[22]。2010年，中国科学院深圳先进技术研究院的Cai等人使用二维网格时域有限差分方法计算了作用在物体上的声辐射力，计算结果与散射法评估的结果高度一致[23]。2011年，上海交通大学的Li利用非线性挤压膜模型理论上分析了悬浮稳定性，并设计了一种圆锥形截面的NFAL执行器，计算结果与散射法得到的结果吻合良好[24]。2014年，西北工业大学的Hong利用近场声悬浮技术使公斤级的大质量转子悬浮在数十微米的高度[25]。2016年，以色列理工学院的Gabai开发了一种盘形超声波悬浮电机，在环形定子上均匀布置了三个朗之万压电执行器，通过调节输入电信号产生驻波和行波，从而实现了转子的悬浮和旋转[26]。2017年，圣保罗大学物理研究所的Andrade等人使用两个25 kHz的压电执行器附着在铝板上，利用垂直辐射力抵消重力，并通过水平恢复力确保稳定性，成功悬浮了一个2.3克的物体[27]。2017年，湖南大学的Li通过理论建模和实验研究了辐射盘表面凹槽的影响，发现周向凹槽增强了承载能力，在19 kHz信号激励下，带有周向凹槽的悬浮板可以达到104.7 μm的悬浮高度[28]。2017年，湖南大学的Feng开发了一种新型挤压膜空气轴承，通过使用柔性枢轴倾斜垫作为振动表面，实现了转子系统的更高振动幅度和稳定性[29]。2021年，南京航空航天大学的Wang基于NFAL效应开发了一种新型非接触式压电执行器，证明了在220 VP-P的激励和22.15 kHz的频率下，可以将铝物体悬浮到0.25 mm[30]。2022年，日本的Aono研究了带凹槽的振动表面，不仅观察到了NFAL效应，还观察到了跳跃现象[31]。2023年，浙江工业大学的Chen在转子表面引入了微结构，优化了超声波悬浮轴承的负载特性，发现带有五个周向凸槽时，在20 μm的高度下可以获得约4.4 N的承载能力[32]。2023年，郑州大学的Shi开发了一种新型非接触式超声波电机，通过加工定子驱动端的凹槽产生悬浮力和声驱动扭矩，实现了转子的旋转[33]。2024年，郑州大学的Shi提出了一种新型盘式非接触式超声波电机，在880 V的驱动电压下实现了平均133 μm的稳定悬浮高度[34]。2025年，南京航空航天大学的Wang进行了双频超声波技术的实验研究，发现在280°的最佳相位角下，悬浮性能优于单频超声波，悬浮高度提高了78.5%[35]。目前的非接触式悬浮装置仍存在结构复杂和能量转换效率低等局限性。本研究提出了一种基于NSGA-II算法和熵权重TOPSIS耦合的多目标优化设计方法，设计出了高效且输出性能优越的超声波悬浮装置。使用ANSYS有限元软件对压电执行器进行了模态分析和谐波响应分析，并通过COMSOL仿真软件研究了执行器的声场特性。最后，建立了实验平台并测试了装置的悬浮性能。通过在悬浮物体表面制造导向凹槽并添加气流驱动装置，实现了非接触式旋转驱动。

部分摘录
工作原理
本工作设计的压电执行器的工作原理如图1(a)和图1(b)所示。悬浮物体放置在压电执行器的辐射盘上。在压电执行器高频振动过程中，悬浮物体与辐射盘之间的气体被压缩，导致气体周期性排出或吸入，从而在间隙压力中产生周期性变化。

正交仿真设计
压电执行器产生的振动通过辐射盘向外辐射声波。这部分声波能量即为辐射能量，它与辐射盘的振动速度和辐射阻抗有关。振动速度表示为vf=jwξ，角频率定义为w=2πf。基于此，可以推导出辐射声功率与共振频率和幅度之间的关系：
P=2π2f2ξρcs

模态和谐波响应分析
需要确定压电执行器的自然振动特性和在自然频率下的动态性能。为此，使用ANSYS仿真软件进行了模态分析和谐波响应分析。为了降低计算复杂度和提高仿真效率，在有限元仿真分析之前做了以下假设：（1）假设铜电极片的厚度可以忽略不计

实验平台的构建
为了测试压电执行器的性能，搭建了如图7所示的实验测试平台。实验平台包括压电执行器、激光位移传感器、信号发生器、功率放大器、计算机和其他设备。在信号发生器上设置了低电压高频电信号，其频率调整为与压电执行器的共振频率相等。低电压信号转换为

结论
本研究探讨了基于压电驱动技术的NFAL驱动装置的结构设计和优化方法。主要结论如下：
为了提高压电执行器的能量转换效率，本文对其结构设计和多目标性能优化进行了研究。为了确定最优参数组合，我们提出了一种综合优化策略

作者贡献声明
何丽：撰写——审稿与编辑、方法论、概念化
曹朝阳：项目管理
邵阳：撰写——初稿、调查、数据管理
余波：监督、概念化
宋泽坤：软件
邢鑫：验证、资源
刘艳萍：撰写——审稿与编辑、项目管理
陈朝阳：资源

利益冲突声明
我们声明与可能不恰当地影响我们工作的其他个人或组织没有财务和个人关系，对任何可能影响本文所述观点或手稿评审的产品、服务和/或公司没有专业或其他个人利益

致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52275023）和山东省自然科学基金（项目编号ZR2024ME076）的资助。
何丽于2010年在中国长春科技大学获得机械工程学士学位，2013年和2018年分别在中国哈尔滨工业大学获得机械工程硕士和博士学位。他目前是山东科技大学机械电子工程学院的副教授，研究兴趣包括智能结构和主动控制。