一种液体环境下的声悬浮装置及方法与流程

本发明属于声悬浮技术领域，具体涉及一种液体环境下的声悬浮装置及方法。

背景技术：

悬浮环境是一种理想的工作环境，其具有很多优势，比如能极大的减小摩擦带来的能量损失、对于器件的磨损，发热还有振动等等原因，进而能够在机械领域占据一席之地，比如电机或者换能器中振子的设计；再比如有利于得到高性能的材料，同时为材料凝固和高温物化性质的研究创造了较好的条件，所以在材料领域也可以有所应用等等。

目前常用的悬浮技术有：超声悬浮、电磁悬浮、静电悬浮、气动悬浮等。其中，1）声悬浮对于悬浮物体没有任何需求，但正常空气环境的超声悬浮的悬浮能力比较弱，由于波长和功率原因只能悬浮起较小的、较轻物体；2）电磁悬浮又有对材料要求高、电磁强、辐射大、环保低等问题；3）静电悬浮由于电场的存在会对生物健康产生伤害，对部分化学物质还会引起不良反应；4）气动悬浮又由于噪声较大、难精确地控制等缺点。

液体环境中的声悬浮，相比于正常空气环境下的声悬浮，由于浮力的存在，声音可以悬浮重的物体；又由于液体存放的环境为波导环境，可考虑利用20k以下频率（即非超声）的声场作为悬浮环境，即扩大波长，就可以悬浮起较大物体；同时液体环境还可以对悬浮物体的积极作用，如机械方面用油作为介质以防锈防磨损、作为化学反应的反应环境、作为生物的培养基等。相比于电磁悬浮、静电悬浮又没有对于材料的要求，即可以悬浮任何想悬浮的材料，又不存在安全问题，同时对很多化学反应还可以起到良性作用；相比于气悬浮又有稳定、易控制的优点。

因此，提出一种液体环境下的声悬浮装置。

技术实现要素：

针对现有技术中的不足之处，本发明提供一种液体环境下的声悬浮装置，实现发射较低频声即可增大其所能悬浮物体的大小和质量。

为了达到上述目的，本发明技术方案如下：

一种液体环境下的声悬浮装置，包括波导圆管、水听器、用于发射声波的换能器、信号发生器和示波器；波导圆管为一端开口的圆柱体桶状，该开口通过钢板封住，波导圆管内部充满液体介质；换能器置于波导圆管的底部，换能器采用活塞式换能器，且与波导圆管外部的信号发生器相连，水听器悬浮于液体介质中，且与波导圆管外部的示波器相连。

进一步的，所述波导圆管的侧壁采用钢铁材质或玻璃。

进一步的，所述水听器在测试时置于液体介质中，使用时移出波导圆管，以防产生散射、二次辐射等使得声场不稳定。

本发明的另一目的在于提供一种液体环境下的声悬浮方法，包括：

（1）建立空气中声场：计算自由场中声传播，相应的声辐射力，所需功率，指向性，波节位置；

（2）计算液体环境下声场：以水为例，计算绝对硬边界下波导之中的声传播，相应的声辐射力，所需功率，指向性，波节位置，然后采用水下换能器尝试水下的声场建立；

（3）测定重量阈值：在计算的结果范围内，尝试悬浮较大的物体，悬浮到最大值后尝试悬浮较重物体；

（4）根据已有的频率下设计相应的波导圆管，其侧壁采用用有机玻璃做侧壁，其底端为换能器，其顶端采用钢铁制成的圆面刚性反射端，中间介质以水为例高度则通过仿真计算达到波导圆管的最佳尺寸。

进一步的，步骤（4）中，适用其他液体环境（如油），然后重新计算其辐射阻抗。

有益效果：将液体环境下的声悬浮原理变成一种实践，为生化培养、物质空间结合、样品无容器接触等科学研究、生产领域提供了一种具有实用价值的仪器设备。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中，1-波导圆管，2-液体介质，3-钢板，4-水听器，5-换能器，6-信号发生器，7-示波器。

具体实施方式

以下参照具体的实施例来说明本发明。本领域技术人员能够理解，这些实施例仅用于说明本发明，其不以任何方式限制本发明的范围。

一种液体环境下的声悬浮装置，参阅图1，包括波导圆管1、水听器4、用于发射声波的换能器5、信号发生器6和示波器7；波导圆管1为一端开口的圆柱体桶状，该开口通过钢板3封住，波导圆管1内部充满液体介质2；换能器5置于波导圆管1的底部，换能器5采用活塞式换能器，且与波导圆管1外部的信号发生器6电连接，水听器4悬浮于液体介质2中，且与波导圆管1外部的示波器7相连。

具体而言，液体介质5采用水。水听器4在测试时置于液体介质2中，使用时移出波导圆管1，以防产生散射、二次辐射等使得声场不稳定。

一种液体环境下的声悬浮方法，包括：

（1）建立空气中声场：计算自由场中声传播，相应的声辐射力，所需功率，指向性，波节位置；

（2）计算液体环境下声场：以水为例，计算绝对硬边界下波导之中的声传播，相应的声辐射力，所需功率，指向性，波节位置，然后采用水下换能器尝试水下的声场建立；

（3）测定重量阈值：在计算的结果范围内，尝试悬浮较大的物体，悬浮到最大值后尝试悬浮较重物体；

（4）根据已有的频率下设计相应的波导圆管，其侧壁采用用有机玻璃做侧壁，其底端为换能器，其顶端采用钢铁制成的圆面刚性反射端，中间介质以水为例高度则通过仿真计算达到波导圆管的最佳尺寸。

技术特征：

技术总结
本发明提供一种液体环境下的声悬浮装置，包括波导圆管、水听器、用于发射声波的换能器、信号发生器和示波器；波导圆管为一端开口的圆柱体桶状，该开口通过钢板封住，波导圆管内部充满液体介质；换能器置于波导圆管的底部，换能器采用活塞式换能器，且与波导圆管外部的信号发生器相连，水听器悬浮于液体介质中，且与波导圆管外部的示波器相连。通过以下方法实现：（1）建立空气中声场；（2）计算液体环境下声场；（3）测定重量阈值；（4）根据已有的频率下设计相应的波导圆管，其侧壁采用用有机玻璃做侧壁，其底端为换能器，其顶端采用钢铁制成的圆面刚性反射端，中间介质以水为例高度则通过仿真计算达到波导圆管的最佳尺寸。

技术研发人员：王泽崇
受保护的技术使用者：王泽崇
技术研发日：2019.03.30
技术公布日：2019.06.11