一維單軸式超聲懸浮的實驗研究

高三星 孫 磊 馬 聰 羅 歡

（西北工業(yè)大學明德學院，西安 710124）

1 引言

1886年德國科學家孔特（kundt）最早發(fā)現(xiàn)了諧振管中的聲波能夠懸浮起灰塵顆粒的現(xiàn)象，這一發(fā)現(xiàn)引發(fā)了懸浮技術(shù)的革命［1］.研究表明，在諧振腔中形成的駐波，其波節(jié)處的聲輻射壓的合力可以懸浮微重力樣品，包括金屬、非金屬材料，液滴，昆蟲、螞蟻、魚苗等小動物［2-4］.在聲懸浮條件下，可以對材料進行加熱熔化使它完全在無容器環(huán)境下進行加工，進而消除容器壁對材料的不利影響［5-7］.因此，它有望成為一種新型的無容器處理技術(shù)，在材料制備、流體動力學、生物醫(yī)學等研究領(lǐng)域中有重要的應(yīng)用價值.

2 原理

在流體介質(zhì)（氣體，液體）中傳播的聲波是一種壓力波.根據(jù)非線性聲學理論［8］，聲波很強時，在介質(zhì)中除了靜壓外，還存在一個由聲波引起的附加壓強，稱為聲輻射壓.樣品受到聲輻射力與自身重力平衡來實現(xiàn)懸浮.

聲發(fā)射端和反射端構(gòu)成的超聲諧振腔如圖1（a）所示，當聲發(fā)射端與反射端的間距L滿足聲場的共振條件［9］

時，諧振腔內(nèi)將形成穩(wěn)定的駐波.式中λ為超聲波長.根據(jù)駐波理論，考慮到半波損失的原因，發(fā)射面和反射面應(yīng)為駐波的波節(jié)，但聲壓與速度的相位相差π／2，因此，發(fā)射面與反射面應(yīng)為聲壓的波腹，聲 壓 的 波 節(jié) 位 于λ／4，3λ／4，5λ／4… 處，如圖1（b）所示.

圖1 超聲諧振腔

若將一個質(zhì)量m較小，半徑（線度）r?λ的樣品置于聲場中，駐波對樣品產(chǎn)生的聲輻射壓的合力為［9］

式中，k＝2π／λ稱為波數(shù)，h表示樣品相對于某一聲壓波節(jié)的位置，ρ為流體介質(zhì)密度，A、λ、ω分別為聲波的振幅、波長和頻率.顯然，在聲壓波節(jié)處的聲輻射力具有回復力的特性，其大小方向均以半波長λ／2為周期在軸向空間做周期性變化.正是波節(jié)處這種高頻聲輻射壓的合力對微重力樣品產(chǎn)生了懸浮效應(yīng)，也就是說，聲壓波節(jié)處就是樣品的懸浮位置，這就是單軸式聲懸浮的原理.如果上下諧振腔間的間距滿足L＝nλ／2，那么在諧振腔之間形成n個懸浮位置，就可以懸浮起n個樣品，并且相鄰兩個樣品間的距離為λ／2.

3 實驗結(jié)果及分析

本實驗選用了DHSF-1型超聲裝置作為平臺，反射端位于超聲發(fā)射端的上方構(gòu)成超聲諧振系統(tǒng)，發(fā)射面與反射面的距離L連續(xù)可調(diào)，介質(zhì)為空氣.

3.1 發(fā)泡材料顆粒的懸浮

選用頻率為f＝35.424kHz，發(fā)射強度為10V的連續(xù)波作為超聲源，實驗室溫度18℃～20℃.此條件下查得聲速為v＝344m／s.由v＝λf得λ＝v／f＝9.711mm并把它作為真實波長.

調(diào)節(jié)L使其從零（事實上不可能為零，因為諧振腔中間要放一個發(fā)泡材料，且發(fā)泡材料的半徑（線度）r?λ.）開始變化，邊調(diào)節(jié)L的距離邊觀察發(fā)泡材料，當發(fā)泡材料第一次被懸浮起來時記錄下數(shù)字游標卡尺上的讀數(shù)L1，第二次L2…第n次Ln.n表示L在調(diào)節(jié)變化過程中第n次發(fā)泡材料被懸浮起來.通過對表1數(shù)據(jù)的分析，能夠得到：

表1 n次發(fā)泡材料懸浮數(shù)據(jù)記錄

也就是說此時諧振腔中形成穩(wěn)定的駐波，在波節(jié)處產(chǎn)生聲輻射壓且此時的的聲輻射壓恰好使物體懸浮起來，從而間接驗證了反射端與發(fā)射端間形成共振滿足的條件為

當n＝5時在發(fā)射面與反射面間恰好形成五個波節(jié)位置（懸浮點），圖2示出了五個發(fā)泡材料顆粒的懸浮圖像.

圖2 五個發(fā)泡材料顆粒的懸浮圖像

3.2 對小動物——螞蟻懸浮姿態(tài)的觀察

圖3是一只螞蟻在諧振腔中的懸浮圖像.選用頻率為f＝35.424kHz，發(fā)射強度為10V的連續(xù)波作為超聲源，實驗室溫度19℃～20℃.

圖3 螞蟻在諧振腔中的懸浮圖像

當螞蟻剛進入聲場懸浮位置時，螞蟻不斷掙扎企圖逃離，但是聲場不僅在軸向有回復力，在水平方向也有聲壓分布，產(chǎn)生水平方向的回復力，使螞蟻無法逃離，在作者的實驗中，可以使螞蟻在十五分鐘內(nèi)始終保持穩(wěn)定的懸浮姿態(tài).撤除聲場后，尚未發(fā)現(xiàn)螞蟻的行為發(fā)生異常.

螞蟻等小動物在長時間處于失重狀態(tài)，并經(jīng)受不同強度超聲輻射時，其生命特征、行為特征、基因、遺傳等方面是否會有影響和變化，目前尚未見到報導，這是我們擬進一步研究的問題.

4 結(jié)論

在實驗室中利用一維單軸式超聲懸浮裝置成功地懸浮起發(fā)泡材料等小物體以及螞蟻等小動物，間接驗證了反射端與發(fā)射端間形成共振所滿足的條件，并為研究生物在長時間失重狀態(tài)以及不同強度超聲輻射下的生命特征、基因變異、遺傳行為等方面的變化及影響打下基礎(chǔ).

致謝

在參加物理第二課堂活動、進行本課題研究及撰寫論文過程中，始終得到宋士賢教授、譚興毅博士、鄒丹講師、樊英杰工程師、孫峰講師等老師的指導、關(guān)心和幫助，在此一并表示衷心的感謝.

［1］A.Kundt.Annal.Phys，1866，127：497.

［2］E H.Brandt.Acoustic physics：Suspended by sound［J］.Nature，2001，413：474.

［3］E.H.BRANDT.Levitation in Physics［J］.Science，1989，243：349～355.

［4］L.P.Gor’skov，On the Forces Acting on a Small Particle in an Acoustical Field in an Ideal Fluid ［J］.Sov.Phys.Dokl.1962，6：773.

［5］W.J.Xie，C.D.Cao，Y.J.Lu，B.Wei.Levitation of I-ridium and Liquid Mercury by Ultrasound［J］.Phys.Rev.Lett.2002，89：104304.

［6］解文軍，魏炳波.單軸式聲懸浮的物理特性［J］.聲學技術(shù)，2001，20（2）：84～86.

［7］解文軍，魏炳波.聲懸浮研究新進展［J］.物理，2002，31（9）：551～554.

［8］L.V.King.On the acoustic radiation pressure on spheres［J］.Proc.R，Soc.London，1934，A147：212～240.

［9］解文軍.聲懸浮優(yōu)化設(shè)計理論及其應(yīng)用研究［D］.西北工業(yè)大學博士論文.2002.