一维单轴式超声悬浮的实验研究

由声波发射端和反射端构成超声谐振系统,其发射端和反射端间形成超声驻波.在波节处声辐射压的合力可以悬浮微重力样品,称为单轴式超声悬浮;是一种有望成为具有应用价值的无容器处理技术.作者在参加物理第二课堂活动中,对此作了初步的实验研究,成功地悬浮起发泡材料等小物体以及蚂蚁等小动物,并观察研究了它们的悬浮姿态.     

声悬浮研究新进展

建立了单轴式声悬浮的参数化模型和边界元算法，对单轴式声悬浮进行了优化设计，可以悬浮起密度高达18．9g/cm^3的金属钨。研究了声悬浮条件下非金属材料和低熔点金属的无容器处理。     

驻波声悬浮中对悬浮小物件的操控研究

基于单轴式声悬浮仪结构,对声悬浮装置进行改进并进行实验.基于声学理论,定量推出的驻波形成的条件,对影响装置悬浮能力的频率、电压、悬浮物大小和密度等多种变量进行研究,使得悬浮能力得以提升,并对单个悬浮小球运动和所有悬浮小球整体运动的操控程度进行研究,最后利用COMSOL软件模拟仿真,进行进一步验证.     

双凹球面相控聚焦超声波场的产生与可视化

超声相控阵技术在声悬浮中有十分重要的价值,相较于传统的一维单轴声悬浮装置,本文在凹球面双发射极超声阵列的基础上引入相控聚焦原理,产生了声悬浮能力较强的声场,重点研究了声场的仿真模拟与可视化验证.首先,介绍了自发设计的凹球面双发射极超声阵列结构,阐述了相控聚焦原理、超声驻波悬浮机理、声压与声辐射力等声学理论.然后,根据理论分析结果,借助COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件,仿真模拟相控聚焦超声波场.产生该声场的各超声波换能器相位可单独控制,通过相位的实时变化,可使声场进行动态聚焦,实现微粒的悬浮与任意轨迹移动.最后,使用单反射纹影系统实现了该声场的实时可视化,与仿真结果进行比较,证实了凹球面双发射极超声波装置相控聚原理的准确性.     

低频驻波声悬浮仪器的设计与定量研究

以单轴式声悬浮仪结构为基础,改变传统超声频率信号,使用低频信号实现物体在谐振腔内的悬浮,同时结合声学理论,定量分析出物体声悬浮的条件及悬浮的稳定区,利用驻波共振法测量声速。结合自制教具的特点,将水平放置的声悬浮仪改进后,还可用做驻波形成的演示性仪器,通过改变输入信号频率,观察谐振腔内驻波的形成及悬浮物体在波腹位置的振动状态,提高实验教学的演示性。该套装置制作简单,操作简便,既可作为实验演示教学也可作为定量探究实验。     

超声波声速测量实验的拓展

对传统的声速测量实验内容进行了拓展,利用发射换能器和接收换能器构成的超声谐振腔形成的稳定驻波,演示了声辐射力与物体自身重力平衡时的声悬浮现象;在此基础上,利用泡沫小球的动态声悬浮过程对超声驻波的波长进行了测量,计算得到的声速结果与参考值的百分误差为2.1%。上述实验内容的拓展,让学生对超声波驻波场的产生、分布、力学效应有了更直观的认识和理解,也让学生在传统实验的基础上了解了声悬浮这一技术,不仅增加了学生的实验兴趣,而且扩大了学生的知识面与实验技能。     

声悬浮过程的激光全息干涉研究

利用二次曝光全息干涉术实现了对单轴式声悬浮声压场的研究.分别拍摄了悬浮不同物体和 不同输出功率情况下声悬浮场的多幅全息图，并进行了对比分析.结果表明，实验中获得的 声压分布图样与由声波动方程获得的理论声压分布基本一致，其相应中轴线的强度分布也具 有很好的一致性.与以往的声场测量方法相比，二次曝光法非接触、无干扰及全场测量的优 势在声悬浮场测量中得以充分体现，该方法的引入不但简化了声悬浮场测量的实际操作，而 且可以更直观地获得全场信息，为优化声悬浮系统提供了实验依据. 关键词： 全息干涉术 二次曝光法 声悬浮 谐振     

准高斯声束对超声造影剂的声辐射力研究*

超声造影剂的定向输运在超声医学成像领域有着极为重要的意义,而声辐射力作用是实现该过程的关键,相比于高斯声束,准高斯声束是无源亥姆霍兹方程的精确解,可以使用标准波分解法简化计算。因此,本文研究了准高斯声束对超声造影剂的声辐射力作用。文章首先分析了准高斯声束与高斯声束之间的相关性;随后通过数值计算求得了准高斯声束对超声造影剂模型的声辐射力函数与无量纲频率之间的关系;最后,本文研究了不同造影剂气泡情况下的声辐射力。研究结果表明:声辐射力函数随无量纲频率变化将在不同位置出现共振峰,不同的波束宽度值将改变辐射力强度,但不改变共振峰的位置。相关结果可为利用声辐射力定向输运超声造影剂至靶向位置提供理论参考。     

气体物理性质对近场超声悬浮特性的影响研究

在利用近场超声悬浮技术搬运晶圆的过程中,为提高近场超声悬浮力,该文研究了气体物理性质与近场超声悬浮力之间的关系。利用声辐射压理论与流体力学理论对不同气体介质下的悬浮力进行建模与求解。搭建了可测量不同气体环境中悬浮力的实验平台。实验发现氩气环境下超声悬浮力平均值相对空气环境下提升24.8%。结合实验与理论计算分析了气体密度、比热容比、声速与动力黏度对悬浮力的影响,推断气体的比热容比为影响近场超声悬浮力的主要参数。该方法为晶圆搬运的环境适用性提供了参考价值。     

驻波声场中悬浮临界密度及稳定性研究

本文以声场中物体为研究对象,理论上得到行波和驻波场中的声辐射压力方程.在驻波声场中引入临界悬浮密度概念,可作为物体能否在非线性声场中悬浮的判据,同时给出谐振腔移动速度的最大范围.更进一步,以实验参数作为数值计算的输入来指导实验,并结合实验结果讨论了驻波声场中样品密度和大小、发射面和反射面形状以及两者之间的距离、反射面的尺寸等因素对物体悬浮稳定性的影响,发现当物体尺寸和密度确定时,调控好谐振腔的长度,增加波腹处的声压是提升声悬浮稳定性的有效手段.     

Single-axis ultrasound levitation system with annular clamping forces

Based on the principle of acoustic levitation,a single-axis ultrasonic levitation system(SAULS) with convex sides was designed.A normal SAULS only provides a levitation force(LF) against the gravity of the sample.While,such systems also provide an annular clamping force(ACF) surrounding the levitated samples,and improve levitation stability of samples in the standing wave field.Using the finite-difference time-domain method,we investigated the force distributions in different resonance cavities and the factors that influence the magnitude of the levitation force in optimizing the SAULS and the ACF.The theoretical analyses and experimental results indicate that the stability of levitation in this special SAULS is improved with the ACF from its designed convex-side feature.It can be developed into a simple device in levitating and moving samples steadily in related experiments and applications.     

On levitation of diamagnetic bodies in a magnetic field

Various methods for calculating the force characteristics of a suspension ensuring levitation of diamagnetic bodies of various origin and shape are considered. The method of calculation is based on the computation of the energy of interaction of a body upon its displacement from the center of suspension for an arbitrary configuration of the suspending field. The method of quasi-homogeneous approximation is considered and compared with the method for calculating the force characteristics based on the general formula for the magnetic energy. The necessary and sufficient conditions for conservative stability of the equilibrium state are formulated, and the stability domain is determined. It is shown that the stability domain depends on the size of the body. Calculations of force characteristics are performed specifically for the suspension of a diamagnetic sphere. The dependences of forces and stiffnesses on the magnetic field strength are obtained, which makes it possible to analyze the stability of confinement of the diamagnetic sphere in the field of the system of circular currents.     

空心圆柱形永磁体内径对单畴GdBCO超导块材磁悬浮力的影响

通过对空心圆柱形永磁体与单畴GdBCO超导体磁悬浮力的实验测量,研究了空心圆柱形永磁体内径(d)的变化对超导体磁悬浮力的影响.结果发现,当空心圆柱形永磁体内径从0 mm增加到26 mm时,超导磁悬浮力大小与空心圆柱形永磁体内径有着密切关系(最小测量间距Z=2 mm),所有超导磁悬浮力曲线都存在磁滞现象.随着空心圆柱形永磁体内径的增大,最小间距处超导磁悬浮力逐渐减小,从d=0 mm时的14.8 N减小为d=26 mm时的-0.1 N,d≥20 mm时,最小间距处超导磁悬浮力出现负值;当0 mm≤d5 mm时,超导体最大磁悬浮力出现在最小间距处,d≥5 mm时,超导磁悬浮力先增大后减小,最大超导磁悬浮力产生的位置随着内径的增大而变大.研究表明:只有科学合理地设计永磁体结构参数,才能获得较大的磁场强度,提高超导磁悬浮力特性.该结果对设计并优化磁悬浮轴承系统、环形轨道和超导体的实际应用具有一定的指导意义.     

Holding characteristics of planar objects suspended by near-field acoustic levitation

The authors have found the acoustic levitation phenomenon where planar objects of 10 kg weight can be levitated near a vibration surface. This phenomenon has been studied for non-contact transportation. A circular planar object can be suspended without contacting a circular vibration plate. We have studied the holding force which acts horizontally on the levitated objects. The horizontal position of the object is stabilized by this force. In this paper, we discuss the effect of the radius of a levitated object, levitation distance, displacement amplitude of the vibration plate and the vibration mode on the suspending force.     

辅助永磁体的引入方式对单畴GdBCO超导块材磁场分布及其磁悬浮力的影响

通过对永磁体辅助下单畴GdBCO超导体和方形永磁体在液氮温度、 零场冷、 轴对称情况下磁悬浮力的测量, 研究了三种不同组态中辅助永磁体的引入方式对单畴GdBCO超导块材磁场分布及其磁悬浮力的影响. 实验结果表明, 如果处在超导体上方的测量用方形永磁体N极向下, 则在轴对称情况下, 当方形辅助永磁体N极向上与超导体下表面贴在一起时, 超导体的最大磁悬浮力从没有引入辅助永磁体磁化的14.3 N增加到31.8 N, 提高到222%; 当方形辅助永磁体放置在超导体上表面、 N极垂直向上且场冷后去掉辅助永磁体时, 超导体的最大磁悬浮力从没有引入辅助永磁体磁化的14.3 N增加到21.6 N, 增加到151%; 当方形辅助永磁体放置在超导体上表面、 N极垂直向下且场冷后去掉方形辅助永磁体时, 超导体的最大磁悬浮力从没有引入辅助永磁体磁化的14.3 N减小到8.6 N, 减小为无辅助永磁体时的60%.这些结果说明, 只有通过科学合理地设计超导体和永磁体的组合方式, 才能获得较高的磁场强度, 有效地提高超导体的磁悬浮力特性, 该结果对促进超导体的应用具有重要的指导意义.     

Levitation of iridium and liquid mercury by ultrasound

Single-axis acoustic levitation of the heaviest solid (iridium, rho=22.6 g cm(-3)) and liquid (mercury, rho=13.6 g cm(-3) on the Earth is achieved by greatly enhancing both the levitation force and stability through optimizing the geometric parameters of the levitator. The acoustically levitated Pb-Sn eutectic alloy melt (rho=8.5 g cm(-3)) is highly undercooled by up to 38 K, which results in a microstructural transition of "lamellae-broken lamellae-dendrites." The drastic enhancement of levitation capability indicates a broader application range of single-axis acoustic levitation.     

永磁体辅助下单畴GdBCO超导体和永磁体之间的磁悬浮力研究

通过对永磁体辅助下单畴GdBCO超导体和圆柱形永磁体在液氮温度、零场冷、轴对称情况下磁悬浮力的测量,研究了两种不同组态下辅助永磁体对超导体磁悬浮力特性的影响.实验结果表明,当长方体辅助永磁体水平磁化、且磁极N指向超导体时,超导体的最大磁悬浮力从没有引入辅助永磁体的29.8 N增加到61.5 N,增加为没有引入辅助永磁体时的206%.当长方体辅助永磁体的N极与圆柱形永磁体的N极反平行时,超导体的最大磁悬浮力从没有引入辅助永磁体的29.8 N减小到19.6 N,减小为无辅助永磁体时的65.8%.这些研究结果说明,通过科学合理地设计超导体和永磁体的组合方式,能有效地提高超导体的磁悬浮力.该研究结果对促进超导体的应用具有重要的指导意义. 关键词： 单畴GdBCO 永磁体 磁悬浮力     

Dynamic Superposition and Levitation Capability of Two Confronting Ultrasonic Waves

The superposition dynamics of two confronting ultrasonic waves and their levitation capability for centimeter-sized thin disks are investigated by numerical analyses and validated by experiments. The sound pressure simulation reveals that two opposite ultrasonic waves provide a more effective standing-wave field than a single ultrasonic wave when the diameter of disk-shaped object approaches the wavelength scale. The dynamic superposition of two confronting beams facilitates the acoustic levitation of the clay disk and aluminum disk with diameters of 0.97 and 0.90. The acoustic radiation forces exerting on these thin disks are measured experimentally, which exhibit a better levitation stability for the centimeter-sized thin disks. The equilibrium levitation positions of the two disks are located near the sound pressure node, and the maximum acoustic radiation pressure on their surfaces is less than one percent of the maximum sound pressure.