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.     

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。     

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.     

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...     

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.     

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.     

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:...     

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.     

声速测量实验原理讨论

对空气中声速测量实验原理进行了讨论,考虑了空气对声波的吸收,分别用平面波和球面波表示发射探头和接收探头之间的声波,导出了接收声压的表达式,分析了声压随探头间距的变化规律.结果表明,尽管声场不是理想驻波,但声压极值随探头间距按半波长周期性的变化规律与驻波共振原理得到的结论相一致,然而3种原理在解释接收声压幅值衰减规律时存在差异,其中球面波原理与实验现象最吻合.     

基于相控聚焦原理的悬浮微粒操控研究

设计了凹球面双发射极超声阵列结构,并结合相控聚焦原理,通过FPGA硬件系统实时控制换能器输入信号的相位参量,形成悬浮能力较强的驻波聚焦声场.根据预设的悬浮微粒移动轨迹,有规律地调节阵元信号的相位差,实现超声波束的动态聚焦,在声场移动的同时,带动波节附近悬浮微粒的移动.分别在竖直面与水平面操控微粒移动,研究微粒移动的准确...     

基于高斯声束模型解释水中声速测量异常现象

测量水中声速时,随着接收、发射换能器的间距增大,会出现接收声压的极大值先增后减的异常现象,且该异常增长的曲线特征与水位有关.本文通过多元高斯声束叠加的方法模拟了圆形换能器的发散声场,并利用虚声源模型,推导出接收声压与距离的解析关系式,相应的数值计算复现了水中声压幅值非单调变化的异常现象,并证实其主要来源是水中声场在水-空气界面和水-水槽壁处的反射,水面高度对异常模式的影响也被计算证实.     

声管测量系统的宽带复合型换能器

提出了一种纵向换能器与Ⅳ型弯张换能器相结合的复合型换能器,推导了换能器的等效电路,根据等效电路分析了纵向换能器和弯张换能器之间的耦合作用;应用有限元方法进行了结构优化,使换能器能够发射较高频率声波的同时兼顾低频发射。研制了宽带复合型换能器实验样机,对在声管中所建立的驻波声场特性进行了实验研究,并成功利用该脉冲声管系统进行了声学材料样品的吸声系数测试。通过测试,该换能器可以满足宽频带声学材料测试要求,适用的频率范围为1.4kHz~23kHz。     

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...     

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。     

气体火焰驻波演示实验的理论分析

对通过声场使可燃气体产生火焰驻波的波形进行研究,得出火焰驻波在波节处(固定反射端)出现火焰,在波腹处几乎不出现火焰的结论,理论分析与实验观测相符.     

基于一维声栅共振场的大规模微粒并行排列的实验研究

声操控微粒技术可以非接触无损伤地控制声场中的物体运动,其在精密制造、材料工程、体外诊断等领域具有广阔的应用前景.传统声操控微粒技术一般采用自由声场,如利用单个换能器或阵列换能器产生的聚焦声场、行波场或驻波场等.然而,一般单个换能器产生的声场仅能操控单个微粒;而阵列换能器的驱动系统复杂,导致操控器件成本高昂且难以微型化;因此,亟需研究新的声场形态实现多样性微粒操控.本工作中,采用单个换能器产生的平面波激发一维声栅的共振声场,实验实现了大规模泡沫微球的周期排列操控.其操控机制是由于声栅狭缝中法布里-珀罗谐振声场与声栅表面周期衍射场共振耦合,在声栅表面形成周期分布的局域梯度声场,导致微粒在平行于声栅表面受到声捕获力,在垂直于声栅表面受到指向表面的声吸引力,实现了微粒周期排列在声栅表面上.该工作为利用超声在空气中大规模排列微粒提供了理论基础和技术支持.     

Bessel驻波对椭球形液滴的声辐射转矩

在实际的声操控中,由于声辐射力、表面张力和重力的共同作用,液滴往往呈现出椭球的形状,在螺旋声场中会受到力矩的作用而发生转动。从声波的散射理论出发,根据部分波展开法求解得到了椭球形液滴在Bessel驻波场中的声散射系数,并给出了其受到的声辐射转矩的解析式。在此基础上,对椭球形不可压缩液滴和椭球形可压缩液滴分别进行数值计算。仿真结果表明,不可压缩液滴的声辐射转矩与声束半锥角的关系更密切,而可压缩液滴则更依赖于特定的频率;提升Bessel驻波场的阶数有利于增强声辐射转矩的峰值,但在中低频处较难对可压缩液滴产生明显的力矩。该研究结果预期对利用螺旋声场进行液滴的操控具有理论指导作用。     

变厚度聚焦换能器对声焦域轴向长度影响的研究

针对不同厚度的病变组织,改变声焦域轴向长度能提高高强度聚焦超声在临床治疗过程中的安全性和有效性。基于多频超声波叠加原理,该文提出了变厚度(多频)聚焦换能器,并设计了两种类型变厚度聚焦换能器。根据瑞利积分法推导了变厚度聚焦换能器声场,计算和分析了变厚度聚焦换能器的声焦域轴向长度,并与等厚度(单频)聚焦换能器声焦域轴向长度进行对比。结果显示,变厚度聚焦换能器中心到边缘的厚度变化趋势与声焦域轴向长度变化相关,中间薄两边厚换能器声焦域轴向长度缩短,中间厚两边薄换能器声焦域轴向长度变长,且实验验证了理论的正确性。研究结果可为变厚度聚焦换能器声场研究和高强度聚焦超声的临床治疗提供参考。     

基于傅里叶光学理论的声驻波成像分析

基于傅里叶光学理论研究了激光通过声光衍射现象的产生和声驻波的成像过程,并设计实验验证了理论推导的正确性.针对不同空间滤波方式,分析声驻波成像条纹间距和条纹对比度的变化,提出一种新的用空间滤波手段测量声速的实验方法.该理论研究及相关实验,完整地分析了声驻波的成像问题,也有利于加深对傅里叶光学中的空间滤波的理解.     

鼓泡床中超声驻波的模拟及其对气泡的调制机理

采用计算流体动力学（CFD）的方法，数值生成了鼓泡床中一对声换能器以16kHz高频振动引发的超声场。数值计算是基于包括粘性影响的可压缩流体基本守恒方程，并耦合了水的状态方程。模拟结果表明，在本研究所用的几何布置和换能器与时间相关的速度入口边界条件下，反应器中形成了一个稳定的驻波声场；由于波的非线性以及水的粘性，压力波节点呈现出轻微的时间漂移性。模拟结果与前人的实验结果定性吻合。在模拟的声压分布的基础上，分析了驻波声场调制气泡的机理。如比较熟知，气泡在驻波声场作用下或者向压力波节点运动或者向压力波腹点运动，取决于气泡尺寸与共振尺寸的关系。