一种悬浮声场中声辐射力的测定方法和装置

本发明属于超声悬浮设备技术领域，具体而言，涉及一种悬浮声场中声辐射力的测量方法和装置。

背景技术：

随着科学技术的不断发展，非接触操控技术的需求越来越迫切，其应用领域也越来越广泛。非接触操控技术涉及磁悬浮、光悬浮、静电悬浮、气动悬浮、声悬浮等。声悬浮相比其他悬浮技术而言，具有结构简单，装置小巧等特点，且对被悬浮物体材料的物理性质和外部环境无特殊要求，具有较好的悬浮能力和灵活的操控性。

声悬浮包含驻波悬浮和近场悬浮等，相关技术可灵活应用于高精密电子元器件如芯片等的无损操控，还可用于生物、医学和药物领域，如细胞培养，蛋白质结晶和药物释放等需要洁净环境的高精密操作过程。实现悬浮的物理本质是物体在声场中受到了可以平衡重力的声辐射力，从而实现无接触的悬浮状态。为了更加精准的设计声波悬浮的效果，利用声波实现无接触操控技术，更加有效地将声波悬浮技术应用于工业生产和国民行业中，需要对声辐射力大小和分布规律进行准确了解。

由于声辐射力是声辐射压在物体表面的积分，其大小与物体的形状密切相关。现有技术中一般是通过理论模型直接预测声辐射力的大小或者通过微型麦克风测量声场声压的分布并在此基础上进行计算得到声辐射力，因此目前这种研究方法是以理论建模为主，缺少有效的实验测量技术，并且理论模型的合理性还需要实验数据的验证，因此需要出现一种简单有效的实验测量方法。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种悬浮声场中声辐射力的测量方法和装置，可以实现被测物体在声场分布空间的声辐射力测量，且可以实现全声场中声辐射力测试位置的灵活移动。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种悬浮声场中声辐射力的测量装置，包括：精密升降台，可在z轴方向上竖直上下移动；二维移动平台，设置在精密升降台上表面，可在x和y轴方向上前后左右移动；天平，放置在二维移动平台上表面，所述天平上面放有天平托盘；刚性细杆，一端与天平托盘连接，另一端连接待测物体且悬空。

根据本发明，测量装置的一侧或两侧还设置有超声波发射装置，以实现单束超声波或多束超声波叠加所形成的复杂声场中声辐射力分布情况的测量。

根据本发明，所述刚性细杆的一端粘结在天平托盘上。

根据本发明，所述刚性细杆的长度需要满足测量空间和位置要求，横截面直径应尽量小，以不影响声场的分布规律为宜。

根据本发明的另一方面，还提供了一种利用悬浮声场中声辐射力的测量装置进行测量的方法，包括以下步骤：

s1、将待测物体固定在刚性细杆的一端且悬空设置，将刚性细杆的另一端固定在天平托盘上；

s2、打开位于测量装置一侧或两侧的超声波发射装置，使得待测物体位于声场空间中；

s3、由天平读出声辐射力的等效质量m，根据声辐射力f＝重力g＝m*g，得到声辐射力f的测量结果，g为重力加速度；

s4、调节二维移动平台在x和y方向的位置以及精密升降台在z方向的位置，实现三维声场全空间位置的声辐射力测量，得到声辐射力数据和分布规律。

根据本发明，所述待测物体为球形、饼形或者不规则固态物体形状。

根据本发明，所述待测物体的空间位移精度高于1mm。

根据本发明的又一方面，还提供了一种悬浮声场中声辐射力的测量装置在材料科学、生物医学和精密机械制造领域中的应用。

本发明的有益效果：

本发明的悬浮声场中声辐射力的简易测量装置，通过精密升降台和二维移动平台的联合操作，不仅可以测量物体在声场分布三维空间的声辐射力，还可以实现全声场中声辐射力测试位置的改变和灵活移动，从而可以测定全声场中不同位置处的声辐射力，适用于单轴式声悬浮、三轴式声悬浮、近场声悬浮以及多种形式声场中声辐射力的测量情况，测量方法灵活、可操作性强且简易，有望在悬浮技术相关应用领域如机械工程、材料科学和生物化学等方面实现重要应用。

附图说明

图1为本发明的三维声场中声辐射力测量装置的结构示意图。

图2为本发明的测量装置应用于单轴式超声悬浮装置时超声波发生器在不同位置时的声辐射力测量结果示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合本附图及实施例，对本发明做进一步的详细说明。需要强调，此处描述的具体实施例仅用于更好的阐述本发明，为本发明部分实施例，而非全部实施例，所以并不用作限定本发明。此外，下面描述的本发明实施例中涉及的技术特征，只要彼此间未构成冲突，即可以相互组合。

如图1所示，悬浮声场中声辐射力的测量装置包括精密升降台6、二维移动平台5、天平3、天平托盘4和刚性细杆2。二维移动平台5设置在精密升降台6的上表面上，可以在x和y轴方向上前后或者左右移动，精密升降台6可以在z轴方向上竖直上下移动。天平3放置在二维移动平台5上表面，天平3上面放有天平托盘4。刚性细杆2的一端与天平托盘4连接，另一端连接待测物体1且悬空设置。本发明所用的天平3和天平托盘4均为高精度。

本发明通过精密升降台和二维移动平台的联合操作，不仅可以测量物体在声场分布三维空间的声辐射力，还可以实现全声场中声辐射力测试位置的改变和灵活移动，从而可以测定全声场中不同位置处的声辐射力，得到声辐射力数据和分布规律。该简易测量装置不仅简单便捷，而且适用于单轴式声悬浮、三轴式声悬浮、近场声悬浮以及多种形式声场中声辐射力的测量，有望在悬浮技术相关应用领域如机械工程、材料科学和生物化学等方面实现重要应用。

本发明还可以实现单束超声波或多束超声波发射装置所形成的复杂声场中声辐射力分布情况的测量，具有灵活性好、测量精度高等优点，在测量过程中对声场的影响较小。

如图1所示，刚性细杆2的一端可以粘结在天平托盘4上，也可通过其他的方式如插入、卡接、螺纹连接等方式，只要操作方便且固定牢固即可。

优选地，刚性细杆2的长度为5～20cm，横截面直径≤2mm。为了减小测量装置的引入对声场带来的影响，在刚性细杆2的长度满足测量需求时，截面尺寸应在保证刚性的前提下尽可能小。精密升降台6、二维移动平台5、天平3、天平托盘4等的放置以不影响声场为准。其中，天平3和天平托盘4均为高精度，所述高精度是指天平测量误差小于0.1g。

采用本发明的简易测量装置可以测量不同形状物体如固态物体在声场中受到的声辐射力，固态物体可以是球形、饼形或不规则形状物体。测试时，将待测固体置于声场中，通过天平的示数转换得到物体所受声辐射力的大小，并可以测量竖直向上和竖直向下方向的声辐射力。

通过将不同形状的待测物体连接于刚性细杆2的一端实现对待测物体所受声辐射力的测定，可以对固态物体的声辐射力进行直接测定。还可通过实验数据对声场理论模型进行修正，在此基础上获得最优化的声场模型，从而对悬浮物体声辐射力进行更加准确的理论描述和预测。

根据本发明的另一方面，还提供了一种利用悬浮声场中声辐射力的简易测量装置进行测量的方法，包括以下步骤：s1、将待测物体1固定在刚性细杆2的一端且悬空设置，将刚性细杆2的另一端固定在天平托盘4上；s2、打开位于测量装置一侧或两侧的超声波发射装置，使得待测物体1位于声场空间中；s3、由天平3读出声辐射力的等效质量m，根据声辐射力f＝重力g＝m*g，得到声辐射力f的测量结果，g为重力加速度；s4、调节二维移动平台5在x和y方向的位置以及精密升降台5在z方向的位置，实现声场全空间位置的声辐射力测量，得到声辐射力数据和分布规律。

本发明中待测物体1的空间位移精度高于1mm。该精度取决于运动平台，可以高于0.1mm或者0.01mm，根据测量的空间位置精度不同改变平台的位移精度。

根据本发明的又一方面，还提供了一种悬浮声场中声辐射力的测量装置在材料科学、生物医学和精密机械制造领域的应用。如采用该简易测量方法和装置对单轴式声悬浮场中物体所受声辐射力或声辐射力分布规律的测量；采用该测量技术对声场中物体所受声辐射力或声辐射力分布规律的测量。

实施例1

将本发明的简易测量装置应用于单轴式超声悬浮装置的声辐射力测量，超声波频率为21khz，超声波发生器置于上端且发射端和反射端的间距为～40mm，当悬浮物体为直径8mm的钢球时，测量结果如图2中点划线所示。

实施例2

将本发明的简易测量装置应用于单轴式超声悬浮装置的声辐射力测量，超声波频率为21khz，超声波发生器置于下端且发射端和反射端的间距为～40mm，当悬浮物体为8mm钢球时，测量结果如图2中实线所示。

实施例3

将本发明的简易测量装置应用于单轴式超声悬浮装置的声辐射力测量，超声波频率为21khz，上端和下端均设置超声波发生器且发射端和反射端的间距为～40mm，当悬浮物体为8mm钢球时，测量结果如图2中虚线所示。

从图2中可以看出，在下端单束超声波工作时，随着悬浮物体和超声发射端间距的不断增大，波节处的声辐射力减小，这种情况类似于近场声悬浮。对于上端单束超声波的工作模式，波节处声辐射力同样随着悬浮物体和超声发射端间距的不断增大而减小。上下双束超声波的工作模式可以有效避免以上两种工作模式的缺点，提供更大的悬浮力和更宽的悬浮势阱。由此可见，利用这种简易的声辐射力测量方法可以研究不同声场工作模式的声辐射力分布特征，对超声悬浮装置的优化设计提供有利指导，同时也可以对基于超声波的无接触传输装置的优化设计提供必要的数据。

以上所述仅是本发明的优选应用实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。