磁懸浮技術耳熟能詳，那神奇的聲懸浮技術您了解多少？

2016-10-26 by:CAE仿真在線來源:互聯網

通常來說,磁懸浮技術是被很多人所熟知的。畢竟,世界上已經有不少城市都開通了磁懸浮列車專線。這種技術所能夠帶來的好處想必很多人都已經非常清楚了。在懸浮的情況下,摩擦力會被大大的降低,從而可以使車輛的速度得到質的提升,真正意義上做到“距離不是問題。”

然而很多人可能都不知道,其實在除了磁懸浮之外,還有一種聲懸浮的技術。近期,國外的一位大神就為我們實力展示了這項技術。他將兩個揚聲器一上一下相對放置并精確對準,從而實現聲懸浮。從動圖中我們可以清楚的看出,三個小球連成一條直線在空中漂浮。

其實,有關這項技術,最早可以追溯到 1866 年。當時德國的科學家孔特(Kundt)首先發現了諧振管中的聲波可以懸浮起灰塵顆粒的試驗現象。而與磁懸浮技術相比,這項技術擁有不受導電材料限制,且懸浮和加熱可分別控制,因此懸浮效果較為穩定,也容易控制的特點。

聲懸浮是高聲強條件下的一種非線性效應,其基本原理是利用聲駐波與物體的相互作用產生豎直方向的懸浮力以克服物體的重量。近年來,這項技術多被用于一些自然科學研究當中。下面我們來簡單介紹一下這項技術:

1、聲懸浮技術的原理和裝置

聲或超聲懸浮:在重力或微重力空間利用強駐波聲場中的輻射壓力與懸浮體重力相平衡,而使其穩定懸浮在聲場中的技術。

聲懸浮技術的原理和裝置

圖1 聲懸浮裝置聲反射面懸浮物

圖1是單軸聲懸浮的原理圖。活塞聲源裝在長圓管的下部,在活塞輻射面的對面設有反射器,在其間建立駐波聲場。輻射面與反射面相距為半波長的整數倍。當聲場中的輻射壓力與物體的重力相平衡時,物體即懸浮在空間。

這種單軸聲懸浮裝置,如果是理想的平面駐波聲場,則在聲壓最小平面內的任一位置都能穩定懸浮。但實際上輻射面的振動不可能完全均勻,聲壓最小平面也不是無限大,因此聲壓最小平面上的聲壓分布是不均勻的,有峰點和谷點,物體被穩定地懸浮在谷點上。如果改變反射器的距離惑聲源的頻率,則可以實現懸浮體在空間的移動。這種裝置適于空氣中應用。

圖2 液體介質聲懸浮裝置

另一種適用于液體介質中應用的聲懸浮裝置如圖2所示。用一根外徑3cm,長25cm的玻璃管,一端開口,一端裝有帶“O”形密封圈的可移動活塞。管內裝有某種與待測液體不相溶的液體介質,借助于活塞的移動來調節管內液面的高度。圓管形壓電換能器(外徑3.81cm,高3.81cm,厚0.32cm)用膠粘在玻璃管的外側。另外,裝有液滴注入系統和位置監測系統。

當換能器被超聲波發生器產生的電信號激勵時,調節液面高度或超聲振動頻率可使換能器、玻璃管及液柱系統發生共振,這時在液柱中即可產生強烈的聲駐波。此時將被測液滴注入,該液滴便懸浮于一定位置。通過移動活塞或改變超聲振動頻率均可以改變液滴懸浮的位置。

為靈活的控制物體的懸浮位置,發展了一種三軸聲懸浮裝置。在一個六面長方體腔中,有三面布置三個聲源,其激勵可以獨立調節,因而能靈活控制物體在空間某一位置的穩定懸浮。如果對某一聲軸的聲壓加以調制,則可以實現懸浮液滴的振蕩,也可以實現懸浮體的聲致旋轉。此外,為實現對懸浮體的處理,還發展了高溫聲懸浮裝置。

2、聲懸浮技術的特點

可以懸浮任何材料,包括磁性和非磁性體,導體和絕緣體;
定位方便、穩定,不容易失控;
可以方便地實現樣品的輸送,如從高溫區輸送到低溫區;
能使樣品旋轉、振動和變形,有利于樣品保持球形、脫氣、表面涂敷和材料的分選;
利用空化效應,可以使材料混合粉碎和霧化等等。

3、聲懸浮技術的應用

(1) 流體力學方面的研究

無容器技術為流體力學的研究提供了很好的環境,如液滴的自由振蕩與受迫振蕩,泡壁的自由振蕩與受迫振蕩,聲場壓力及液體粘滯對液滴振蕩特性的影響,用無容器技術進行研究都得到很有用的結果。在太空中用聲懸浮技術使液滴振蕩能提高滴的球度和殼的均勻度,對于聚變靶的制造有重要意義。可以用來測量表面張力,特別是對不允許有容器接觸的過冷、過熱液體的研究是很有用的。

(2) 液體和熔融材料物理性質的測量

有些材料的性質不能在容器中測量,如過冷和過熱液體、過飽和溶液、高純度或高活性物質等,其表面張力、粘滯性等在無容器條件下測量是合適的。

(3) 無容器條件下對材料的處理和研究

無容器處理材料避免了器壁對材料的污染,能夠制備高純度、高活性和高熔點的材料;許多材料的結晶過程在無容器環境下進行可以避免器壁與材料接觸而導致大量非均勻成核。

無容器技術可用于生長某些高質量的單晶,或制備極易偏析的合金;另一方面,完全無序的非晶態具有許多晶態材料沒有的優異性質,因此人們越來越多地在化合物或合金中尋求玻璃態。但許多物質,尤其是金屬,在熔融狀態下粘滯度很小,器壁的非均勻成核導致迅速結晶.空間無容器處理基本上杜絕了異質晶核的來源,在高溫處理時不需要考慮容器的耐高溫、耐腐蝕等問題。

利用聲壓梯度和旋轉,在玻璃制備過程中可以除氣;一些亞穩合金化合物具有較高的超導轉變溫度,但亞穩態的形成需要深度過冷,需要借助于無容器技術。

(4) 利用超聲懸浮場的能量處理材料

在制備一些新合金、纖維增強復合材料時都需要進行均勻合成或分散。空間微重力環境雖然消除了密度差異所帶來的互相分離的因素,但也喪失了使它們均勻分散的主要手段——對流。超聲空化、微沖流和輻射壓力卻是使材料均勻化的一種有效手段。此外,空化還兼有乳化作用,可使晶粒變細;在空間,重力分選失效時,聲致旋轉可以進行離心分選;聲懸浮場還可用于材料的外形或表面加工,可以得到球形、片和絲等形狀的材料,可以進行表面涂敷等等。

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