一维单轴式超声悬浮的实验研究

高三星 孙 磊 马 聪 罗 欢

（西北工业大学明德学院，西安 710124）

1 引言

1886年德国科学家孔特（kundt）最早发现了谐振管中的声波能够悬浮起灰尘颗粒的现象，这一发现引发了悬浮技术的革命［1］.研究表明，在谐振腔中形成的驻波，其波节处的声辐射压的合力可以悬浮微重力样品，包括金属、非金属材料，液滴，昆虫、蚂蚁、鱼苗等小动物［2-4］.在声悬浮条件下，可以对材料进行加热熔化使它完全在无容器环境下进行加工，进而消除容器壁对材料的不利影响［5-7］.因此，它有望成为一种新型的无容器处理技术，在材料制备、流体动力学、生物医学等研究领域中有重要的应用价值.

2 原理

在流体介质（气体，液体）中传播的声波是一种压力波.根据非线性声学理论［8］，声波很强时，在介质中除了静压外，还存在一个由声波引起的附加压强，称为声辐射压.样品受到声辐射力与自身重力平衡来实现悬浮.

声发射端和反射端构成的超声谐振腔如图1（a）所示，当声发射端与反射端的间距L满足声场的共振条件［9］

时，谐振腔内将形成稳定的驻波.式中λ为超声波长.根据驻波理论，考虑到半波损失的原因，发射面和反射面应为驻波的波节，但声压与速度的相位相差π／2，因此，发射面与反射面应为声压的波腹，声 压 的 波 节 位 于λ／4，3λ／4，5λ／4… 处，如图1（b）所示.

图1 超声谐振腔

若将一个质量m较小，半径（线度）r≪λ的样品置于声场中，驻波对样品产生的声辐射压的合力为［9］

式中，k＝2π／λ称为波数，h表示样品相对于某一声压波节的位置，ρ为流体介质密度，A、λ、ω分别为声波的振幅、波长和频率.显然，在声压波节处的声辐射力具有回复力的特性，其大小方向均以半波长λ／2为周期在轴向空间做周期性变化.正是波节处这种高频声辐射压的合力对微重力样品产生了悬浮效应，也就是说，声压波节处就是样品的悬浮位置，这就是单轴式声悬浮的原理.如果上下谐振腔间的间距满足L＝nλ／2，那么在谐振腔之间形成n个悬浮位置，就可以悬浮起n个样品，并且相邻两个样品间的距离为λ／2.

3 实验结果及分析

本实验选用了DHSF-1型超声装置作为平台，反射端位于超声发射端的上方构成超声谐振系统，发射面与反射面的距离L连续可调，介质为空气.

3.1 发泡材料颗粒的悬浮

选用频率为f＝35.424kHz，发射强度为10V的连续波作为超声源，实验室温度18℃～20℃.此条件下查得声速为v＝344m／s.由v＝λf得λ＝v／f＝9.711mm并把它作为真实波长.

调节L使其从零（事实上不可能为零，因为谐振腔中间要放一个发泡材料，且发泡材料的半径（线度）r≪λ.）开始变化，边调节L的距离边观察发泡材料，当发泡材料第一次被悬浮起来时记录下数字游标卡尺上的读数L1，第二次L2…第n次Ln.n表示L在调节变化过程中第n次发泡材料被悬浮起来.通过对表1数据的分析，能够得到：

表1 n次发泡材料悬浮数据记录

也就是说此时谐振腔中形成稳定的驻波，在波节处产生声辐射压且此时的的声辐射压恰好使物体悬浮起来，从而间接验证了反射端与发射端间形成共振满足的条件为

当n＝5时在发射面与反射面间恰好形成五个波节位置（悬浮点），图2示出了五个发泡材料颗粒的悬浮图像.

图2 五个发泡材料颗粒的悬浮图像

3.2 对小动物——蚂蚁悬浮姿态的观察

图3是一只蚂蚁在谐振腔中的悬浮图像.选用频率为f＝35.424kHz，发射强度为10V的连续波作为超声源，实验室温度19℃～20℃.

图3 蚂蚁在谐振腔中的悬浮图像

当蚂蚁刚进入声场悬浮位置时，蚂蚁不断挣扎企图逃离，但是声场不仅在轴向有回复力，在水平方向也有声压分布，产生水平方向的回复力，使蚂蚁无法逃离，在作者的实验中，可以使蚂蚁在十五分钟内始终保持稳定的悬浮姿态.撤除声场后，尚未发现蚂蚁的行为发生异常.

蚂蚁等小动物在长时间处于失重状态，并经受不同强度超声辐射时，其生命特征、行为特征、基因、遗传等方面是否会有影响和变化，目前尚未见到报导，这是我们拟进一步研究的问题.

4 结论

在实验室中利用一维单轴式超声悬浮装置成功地悬浮起发泡材料等小物体以及蚂蚁等小动物，间接验证了反射端与发射端间形成共振所满足的条件，并为研究生物在长时间失重状态以及不同强度超声辐射下的生命特征、基因变异、遗传行为等方面的变化及影响打下基础.

致谢

在参加物理第二课堂活动、进行本课题研究及撰写论文过程中，始终得到宋士贤教授、谭兴毅博士、邹丹讲师、樊英杰工程师、孙峰讲师等老师的指导、关心和帮助，在此一并表示衷心的感谢.

［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］解文军，魏炳波.单轴式声悬浮的物理特性［J］.声学技术，2001，20（2）：84～86.

［7］解文军，魏炳波.声悬浮研究新进展［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］解文军.声悬浮优化设计理论及其应用研究［D］.西北工业大学博士论文.2002.