基于双轴超声列阵驻波原理的固体颗粒悬浮操控实验

针对传统超声阵列悬浮技术悬浮稳定性较弱等问题,基于双轴超声列阵驻波原理,设计了平面-凹球面组合超声阵列悬浮装置.利用COMSOL Multiphysics软件进行仿真实验,利用FPGA、超声波换能器等搭建装置,实现对固体颗粒的束缚及定位移动的互动式操控,根据装置在运动过程中悬浮小球的抖动情况分析装置的稳定性.实验表明:该装置可以精确地控制粒子移动,提高了悬浮稳定性.     

声悬浮高温小球轴向稳定性研究

针对驻波声悬浮高温小球的轴向稳定性,建立了声-热-流-重力场耦合的物理模型,采用有限元方法计算了高温小球周围空间的不均匀温度场和声场,分析了驻波声场中直径2 mm的氮化硅小球在300～2000 K温度区间的轴向悬浮稳定性,并通过常温下声悬浮实验验证了仿真模型的准确性。结果表明在初始悬浮间距满足谐振并保持不变的条件下,随着悬浮小球的温度升高,小球的平衡位置降低,并且存在能保持稳定悬浮状态的温度最大值。在小球升温的过程中,通过反馈调节发射端-反射端间距和发射端激励电压,可以在一定程度上保持高温小球的轴向悬浮稳定性。     

具有环形限位夹持力的单轴式超声悬浮系统

基于超声悬浮原理,通过改变单轴式超声悬浮系统的反射和发射端的几何形状,利用凸状发射、反射面在悬浮区域周围产生环形声辐射力势阱作为限位夹持力,提高悬浮样品在驻波声场中的悬浮稳定性。基于时域有限差分法,研究不同谐振腔内的声辐射力分布,以及影响声辐射力大小的因素,优化环形限位夹持力和悬浮力。理论及实验研究结果表明,具有环形限位夹持力的超声悬浮系统可以提高普通单轴式超声悬浮装置对悬浮样品的稳定性。      

基于振荡气泡法测定声悬浮液滴的表面张力

通过调节阵列式声悬浮装置的悬浮声压,使悬浮液滴转变为气泡.利用振荡气泡法的原理,结合声悬浮气泡在声场中处于缓慢变形的非平衡状态特点,对原始气泡表面膨胀系数的公式进行了修正.实验过程中采用高速摄像机记录气泡形成及振荡过程的图像,并对图像进行处理,测定悬浮气泡的表面膨胀模量,得到液体的动态表面张力.以锅炉用油为样品,利用声悬浮气泡的膨胀模量,对液滴动态表面张力进行非接触式测量.     

基于换能器阵的三维多粒子悬浮及操控装置

针对目前三维声操作技术悬浮粒子数量少、悬浮空间局限的问题,本文提出了一种由三对相对换能器阵列组成的声悬浮装置的设计方案,通过改变换能器阵列的相位差,成功实现了粒子的三维操纵.该装置可用于测量声速,相对误差一般在2%~5%左右,对测量环境要求比较严格.     

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     

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。     

声悬浮对超声减摩的影响

考虑了大气中的声悬浮效应,建立起摩擦付的动力学模型。用该模型计算了声悬浮对超声振动减摩的影响。并用已有的实验装置,分别在真空和大气条件下检测了声悬浮对摩擦付间相对接触时间的影响。理论和实验均证明当摩擦付间的预压力较小时,声悬浮的影响是不可忽视的。     

用于超声悬浮场可视化的光学全息相位倍增方法研究

基于二次曝光全息干涉测量原理,采用四倍相位倍增光路对声悬浮声压场分布进行了可视化研究.拍摄了给定模式的超声悬浮场在不同超声换能器激励电流时的光学全息图并进行光学再现,由再现光波的全息干涉条纹图样得到了反映声压场分布的光波波前相位变化,并进行了对比分析.结果表明,与无相位倍增光路相比,采用四倍相位倍增光路可使同一声压场的全息干涉条纹数目大大增加,测量灵敏度明显提高,为进一步研究声悬浮场声压分布提供了一种有效方法.     

声悬浮的实验研究和数值模拟分析

介绍了自行研制的一种磁致伸缩式单轴超声悬浮装置,用此装置实现了尺寸1—7mm的若干种金属、半导体和有机物在空气中的稳定悬浮和定位,可悬浮样品的密度高达11.3g/cm³.为了优化谐振腔设计,采用边界元方法结合两类不同结构的谐振腔模型研究了谐振腔几何形状对声场分布以及悬浮定位能力和悬浮稳定性的影响. 关键词：     

中国近海悬浮颗粒物海水声波衰减

在对颗粒物声吸收机理分析的基础上,根据已有的南黄海和莱州湾海洋调查数据,对中国近海实际海域悬浮颗粒物海水在声呐工作频段内的声波衰减进行了计算分析.结果表明,在悬浮颗粒物浓度高的海水区域内,悬浮颗粒物粘滞性声吸收所造成的声波衰减与不计及颗粒物存在的海水声吸收相比不可忽略.计算分析同时表明,在声呐工作频段内,颗粒物的散射声吸收可以忽略不计.取可使粘滞衰减为较大值的粒径为5 um的悬浮颗粒物海水进行计算,在低于几十千赫兹的频率范围内,当泥沙类悬浮颗粒物浓度高于O.1 kg/m3、有机类悬浮颗粒物浓度高于1 kg/m3,颗粒物粘滞衰减系数将大于清澈海水的衰减系数.泥沙类悬浮颗粒物海水浓度高于0.1 kg/m3、有机类悬浮颗粒物海水浓度高于1 kg m3,可以作为是否需要计及颗粒物声吸收的比较保守的估计判据,或是作为悬浮颗粒物海水达到声学混浊的估计判据.     

声悬浮条件下环己烷液滴的蒸发凝固

采用单轴式声悬浮方法研究了环己烷液滴的蒸发过程,发现环己烷液滴的蒸发可以使自身温度降至熔点以下并发生凝固.高速摄像实时观测表明,环己烷晶核开始形成于液滴赤道附近,并以枝晶方式长大,平均生长速度为12.5-160.4 mm/s.进一步研究发现,声悬浮条件下平均Sherwood数与平均Nusselt数的比值Sh/Nu是在自然对流条件下的1.3倍,这表明声流边界层有效提高了环己烷液滴的蒸发速率而对传热的促进作用相对较小,因而可以使液滴降至更低温度,进而发生凝固.据此,提出了挥发性液体在声悬浮条件下发生蒸发凝固的必要条件. 关键词： 声悬浮 声流 环己烷 蒸发凝固     

制作悬浮小球及体会

沉浮条件是初中物理重要的一个知识点。即当物体完全浸没在液体中时，若浮力大于重力物体上浮；浮力小于重力物体下沉；浮力等于重力物体悬浮。虽然上浮和下沉现象在生活中很容易见到，但悬浮现象一般人很少见过。实验室没有现成的演示“悬浮现象”的教具。那么，我们物理教师何不亲手制作一个“悬浮小球”，既可加强学生对悬浮现象的感性认识，作为教具保存又可一劳永逸，为培养学生的学习兴趣，提高动手能力，     

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.     

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.     

声悬浮现象的研究

分析了声波在垂直谐振腔内使物体悬浮于空中的条件与位置,给出了运用声悬浮现象测量声速的方法并实测了声速.     

基于亚波长管道增强的漩涡声场悬浮操控微粒和液滴的实验研究

声悬浮技术可以在无接触的情况下操控微粒和液滴,因此已被广泛应用于化学分析、液滴动力学和生物反应器等领域.目前声悬浮技术的主要工作是在开放环境中进行悬浮等操控.本文提出了亚波长管道增强型空气声镊的概念,利用亚波长声波导管进行声场操控及微粒和液滴悬浮.通过4个小型换能器激发有限长度亚波长圆波导管的单一低阶声学模态,可以在有限长度的波导管内产生漩涡声场.实验发现由于亚波长结构对声场的增强作用,亚波长管道增强的漩涡声场在径向和轴向悬浮力大小上均有较大提升,因此可对发泡聚苯乙烯颗粒和水滴实施悬浮和自转等操控.这项工作将亚波长声波导管的概念引入声场操控中,有望加深对声场和物质相互作用的物理理解,开发新型小型化悬浮微粒和液滴的声学操纵器件.     

悬浮熔炼液相淬火实验装置

本文讨论了悬浮熔炼液相淬火实验装置的原理.介绍了该装置的结构及主要工艺参数,并使用该装置制备了新的非晶态材料和微晶态超导材料.附表中列举了部分钢铁材料、铜基、铝基合金及部分过渡族金属合金超导材料的悬浮熔炼及液相淬火的工艺过程.     

悬浮泥沙声学观测的原理分析

从导出声呐方程式出发对悬浮泥沙声学观测方法的原理和系统设计问题进行了分析,得到了系统主要技术参数（如最佳工作频率、声发射功率和收发换能器孔径等）的计算公式,并着重讨论了时变随机过程的数据处理、声传播损失补偿及泥沙浓度现场标定等关键技术问题。本文分析的结果为利用声散射原理观测的声学系统（如声学悬浮泥沙浓度剖面仪和声学多普勒海流剖面仪）的研制和应用提供了依据。     

光电反馈式静电悬浮与静电悬浮力测定

本文提出光电反馈式静电悬浮的新方法,简要讨论静电悬浮的原理、装置及其光电反馈控制过程.采用铝片和CD光盘作为悬浮体,测定了不同静电电压和不同悬浮间距时的静电悬浮力,揭示了它们之间的相互关系.结果显示这两种悬浮体均可获得足够的静电悬浮力,证明了静电悬浮的可行性.静电悬浮方法的显着特点是既适用于导电体与非导电体的悬浮,又适用于磁性体与非磁性体的悬浮,克服了传统磁悬浮技术仅适用于磁性体的局限性,可广泛应用于精密元器件的悬浮与非接触无损操作.