CN105008006A - 用于提供非对称振荡的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于对容器提供非对称振荡的装置和方法。容器可以包含流体、微粒和/或气体。附接至容器的振动驱动器提供非对称振荡。连接至振动驱动器的控制器控制非对称振荡的振幅、频率以及形状。放大器响应于控制器放大非对称振荡。布置在振动驱动器上的传感器为控制器提供反馈。

Description

用于提供非对称振荡的装置和方法
技术领域
本发明总体上涉及使固体微粒或流体泡沫在流体环境中漂浮、悬浮、移动、流体化或混合。更具体地，本发明涉及通过适当的非正弦振动使固体微粒或流体泡沫在流体的环境中漂浮、悬浮、移动、流体化或混合的装置及方法。
背景技术
存在有多个现有的用于使微粒在流体(液体或气体)中漂浮或悬浮的方法。漂浮方法包括使用电磁力、静电力、声学力以及空气动力。电磁方法和静电方法只能使具有恰当电磁性能的材料漂浮而不能使流体中的气体泡沫漂浮。声学漂浮方法对更广泛的材料有效，但是该材料只能在特定的声学节点处漂浮并不能遍布于整个体积。空气动力的漂浮需要空气或其他流体的净向上的定向流以保持微粒悬浮，并不能同时使泡沫和固体微粒在流体内漂浮。
多个微粒在流体中的悬浮——也称为流体化——还可以通过容器或流体在超过重力加速度的加速度下的振动来实现的。当使用低频振动时，微粒主要通过与容器的底部碰撞或者与其他微粒碰撞而被给予能量。超声波振动通过声波穿过体相流体传递能量，这可以使微粒加速并且保持这些微粒悬浮或使液体的均匀化达到一定水平，该均匀化水平在振动结束会持续很久。然而，如果微粒是较大的或稠密的则所需的能量会比较高，并且不期望的气穴会经常发生。
自从20世纪50年代或者更早，已知的是气体泡沫可以在受到低频(大约100Hz)竖向振动的液体中漂浮。该漂浮被认为部分地由于随着泡沫在液体内上下运动的泡沫体积振荡而产生的。关于这种主题的文献中的力学方程的解预测出泡沫会漂浮在距离液体顶部的一定高度处，这取决于振荡频率和其他因素而非振幅(相比于由于重力引起的加速度，只要加速度的振幅稍微较大)。然而，研究人员已经发现振动的振幅会有一定影响，尽管他们还没有解释原因。
之前的研究人员已经关于作用在空气泡沫上的拖曳力(或者完全忽略拖曳力)做出了假设，所述假设导致了拖曳力本身并不影响漂浮的错误结论。然而，作用在泡沫上的拖曳力可以是复杂的并且通常关于速度不是线性的。尤其是，随着振动的振幅增加，泡沫的最大速度可以增大到拖曳力与速度的平方更成比例的范围中。换句话说，泡沫具有高的雷诺数。研究人员还没有考虑非正弦振动的效应，可能由于研究人员错误地假定响应是线性的。
目前通用的振动测试过程是单频测试、正弦扫频测试、随机测试和跌落测试或冲击测试。这些测试不足以揭示由响应于一些真实世界的非正弦振动的非线性振动引起的显著缺陷(或特征)。可以通过利用增强或显露非线性振动响应的非正弦振动来极大地改善振动测试。能够极大地受益于改善的振动测试的一个特别的行业是包括电池系统、机载燃料储存和传输系统以及其他多相系统的航空航天行业。缺乏充足的振动测试会有严重的后果，会导致航空灾难和飞行器着陆成本高。
目前的用于气穴的研究或使用的设备和方法具有有限的能力以独立于振动的其他影响来控制气穴的强度或可能性。通常，通过单频驱动的超声波换能器浸在流体中并且超声处理的效应集中在换能器的表面附近。可以通过减小功率或其他参数以及降低超声处理的其他期望的效应来减少或消除气穴。为了实现单泡沫的声致发光，研究人员通常通过需要非常特殊的驱动频率的声压驻波使单个泡沫漂浮并且使单个泡沫稳定。最近开发的另一种方法通过使用其中大约半满液体的“水锤管”实现了稳定的声致发光。通过单频外部驱动，会夹带一些泡沫并且所述泡沫受到“负”浮力作用而下降至管的底部。在不改变振动的频率或振幅的情况下这种效应无法得到控制，该效应影响泡沫的尺寸以及泡沫的声致发光。
目前的用于近似在地球重力的作用下的微重力效应的设备包括落塔、抛物线飞行器以及回转器。落塔和抛物线飞行器只允许长达大约20秒的短时间的微重力。抛物线飞行器是昂贵的并且受限于在飞机上安全进行的实验。最好的落塔仅产生大约为10秒的时间段的微重力，其中，可能每天只能进行几次重复实验，并且在底部处的高的减速限制了可以进行的实验的类型。回转器使用了关于水平轴的旋转(或随机旋转)，所以因重力引起的时间平均加速度为零。可以在回转器上进行长时间的实验，但该技术仅适用于缓慢地响应于加速度的物品，比如植物。
目前医疗超声设备使用单频并且测量回波时间和回波振幅，以形成人体内部的图像。尽管这种设备通常认为是安全的，一些研究发现这对暴露于超声波的在子宫中的孩子有微弱的但统计学上显著的影响。因此，FDA(食品及药物管理局)已经制定了使用以下几个指标将声波功率限制在较小程度并且限制流动(streaming)的指导方针：主要是热指数(TI)以及机械指数(MI)，其中，TI测量针对组织加热的潜能，MI测量气穴的风险。
本发明的实施方式包括装置及方法，所述装置及方法使用无效、反向或增强重力效应的非对称竖向振动以使流体中的微粒或泡沫漂浮、悬浮或混合或者以使两种或更多种流体或粒状材料混合。本发明的实施方式能够改进化学反应及其他过程，并且可能产生新的化学反应及过程。本发明的实施方式也可以用于定位微粒或者在微重力环境中抵消剩余加速度的效应。本发明的一个实施方式包括用于改进振动测试的装置及方法。本发明的另一个实施方式还是使用振动以改进一系列测试的装置及方法。
发明内容
在要求保护的第一实施方式中叙述了用于提供非对称振荡的装置。该装置包括容器。容器内布置有流体和微粒。附接至容器的振动驱动器使该容器振动，以通过流体使微粒产生非对称速度。
要求保护的第二实施方式叙述了对容器提供非对称振荡的方法。该方法包括将流体和微粒布置在容器中的步骤。借助于附接至容器的振动驱动器并通过流体使微粒产生非对称运动。非线性拖曳力被施加在微粒上。
本发明的适用性的进一步的范围将部分地在随后的详细描述中阐述。结合附图及本领域的普通技术人员的知识，可以通过包括所附权利要求中阐述的那些手段和组合的手段和组合来实现并获得各种优点。
附图说明
附图被结合到说明书中并形成说明书的一部分。附图示出了本发明的一个或更多个实施方式。连同描述，附图用于解释本发明的各个方面。附图仅用于图示本发明的一个或更多个实施方式的目的，而不是为了限制本发明的目的。
图1是本发明的实施方式的侧视图；
图2是在通过理想矩形波加速的流体填充振动容器的内部的微粒的速度的图示；以及
图3是两个正弦波形之和的、近似矩形波的波形的图示。
具体实施方式
本发明的实施方式涉及用于使固体微粒或流体泡沫在流体的环境中漂浮、悬浮、移动、流体化或混合的装置及方法，并且具体地涉及通过适当的非正弦振动使固体微粒或流体泡沫在流体的环境中漂浮、悬浮、移动、流体化或混合的装置及方法。
本发明的实施方式还涉及用于振动测试的装置和方法，特别地测试关于具有固体微粒或流体微粒的流体环境的系统的装置及方法；以及涉及在振动频率、压力以及泡沫尺寸的宽范围内生成气穴的装置和方法，与现有技术可能达到的程度相比，并且涉及控制、增加、减少或消除在低频和高频两者条件下的气穴，同时控制、增加、减少或消除振动的其他效应。
本发明的实施方式还涉及如下的装置及方法，所述装置及方法允许对气穴的现象和泡沫融合的可能性进行改进的研究；还涉及用于测试在受可能不同的惯性力的环境内的微重力或局部重力的效应的装置和方法；还涉及如下的装置及方法，所述装置及方法通过非正弦振动、尤其是在低频条件下的非正弦振动对结晶、凝固(例如，合金与玻璃的凝固)、胶溶、絮凝、胶凝、溶胶-凝胶工艺、聚合、发泡、声流，质量传递、反应速率以及类似的工艺进行研究、改进、控制和模拟；还涉及如下装置及方法，所述装置及方法通过正弦或非正弦振动的应用来增大电池可供给的电流或者增大电池的充电速度；并且还涉及如下装置及方法，所述装置及方法通过控制、减少、增加或消除气穴、流动以及其他所期望的或不期望的效应以及控制、减小、增加或消除对流以及提高燃烧来改进与研究包括医学超声波在内的超声波。
如在整个说明书和权利要求书中所使用的，术语振动与振荡是可互换使用的。术语微粒可以包括但不限于泡沫，例如空气泡沫或气体泡沫或液体泡沫，微粒包括所述物质的固体部分，物质的固体部分具有任何形状，任何形状包括但不限于球形、圆锥形、圆柱形、立方形以及所述形状的组合等。术语流体被定义为具有非固定形状的任何物质，例如液体或气体或液体与气体的组合。
图1示出了包括容器1的本发明的实施方式，其中，容器1具有：混合的流体；或者流体及在流体内漂浮的微粒；或者多种流体及微粒。通常微粒直径的数量级为毫米但微粒可以与分子一样小或微粒直径的数量级比毫米大得多。如果装置可以构造成足够大使得其在足够大的距离上振动，则不限制微粒的尺寸。
支架2将容器1附接至振动驱动器3。功率放大器4将来自微控制器5的驱动波形放大、传递至功率振动换能器3。加速计6为微控制器5提供加速反馈，然后微控制器5可以响应于该反馈修改驱动波形。在一个实施方式中，微控制器5使用来自加速计6的信号的傅立叶分析来确定如何调节驱动波形，以实现期望的振动。如果需要的话，微控制器5将数据输出至监视该过程的另一个微控制器或计算机(未示出)。如果不需要灵活性，一旦发现适当的驱动波形，则微控制器5和加速计6可以由能够输出重复的电子波形的任何设备替代。除了加速计6之外或可替代性地，可以存在其他的监测或反馈机构，比如声学传感器、光学传感器、电磁传感器、物理传感器或化学传感器。例如，光学传感器或照相机可以确定不透明微粒是否漂浮，并且容器内的带电探针可以检测到带电荷的微粒何时与探针接触。通常具有比加速计更高的频率响应的声波(振动)换能器经常作为用于检测气穴坍塌的最佳传感器。
容器1可以为很多不同的类型、形状和材料。该容器1可以是封闭容器，该封闭容器用于分批式操作或通过连接器或阀连接至更大的系统以用于在连续或半连续模式下进行操作。在一个实施方式中，容器1的侧面是竖向的并且顶部和底部是平坦的，但其他形状也是可能的并且可能是优选的，从而产生不同的混合模式、不同的运动放大倍率或者微粒或泡沫不同的稳定性等其他效应。
振动换能器3可以是普通的音频扬声器驱动器、线性马达、具有通过齿轮、连杆、凸轮或其他机构将圆周运动转换为直线运动的旋转马达或具有足够大和足够快的振动能力的任何其他设备。如果需要灵活性，则具有宽的频率范围的换能器是优选的。如果该装置是用于在波形方面不需要灵活性的特定目的，那么本发明的一个实施方式可以结合通过适当的机构设计为有效地产生非对称的加速度的振动换能器，所述适当的机构比如非对称弹簧、凸轮或其他机构或者两个或更多个谐波相关的正弦振荡器的组合。在一个非限制性的示例中，具有中心盘和环绕件的扬声器驱动器被使用并且用作非对称弹簧机构，其中，与顶部相比，在该弹簧机构运动的底部具有更高的弹簧常数。振动驱动器的第二个示例是具有凸轮的圆形马达，该马达设计为在较短时间段内产生较高的加速度并且在较长时间段内产生较低的加速度。振动换能器的第三个示例是两个压电振荡器的组合，两个压电振荡器以如下方式振荡：压电振荡器中的一者的频率是另一者的频率的两倍，压电振荡器中的一者的加速度振幅是另一者的加速度振幅的一半，压电振荡器两者具有正确的相位关系(高频振荡器的加速度的峰值与低频振荡器的最大值和零值对齐)。提出的这些示例为本发明的一些实施方式的图示，但并非本发明的全部的实施方式。
当容器1以具有比容器高度更长的对应的波长的频率下振动时，该容器1内的流体体相连同容器1被加速。然而，在流体内的任何微粒不被直接加速。相对于容器1和流体的惯性坐标系，微粒受到与容器的外部加速度相反的加速度、加上(或减去)因重力引起的加速度、加上(或减去)因作用在微粒上的流体的拖曳力引起的加速度。如果容器1在足够长的时间段内具有恒定不变的加速度，则微粒相对于容器1会达到终极速度。如果加速度足够大，则终极速度与容器1的加速度的平方根成比例。微粒相对于容器1行进的总距离几乎是与加速度的平方根乘以时间成比例。然后，容器1沿相反的方向上以较大的加速度被加速了成比例的较短的时间。此时，微粒迅速地慢下来、反转方向、并且达到新的终极速度。在多次交替加速循环之后，微粒的速度和运动达到稳定状态的振荡。
由于终极速度不与加速度线性相关，在重力作用下平均速度不等于终极速度。如果较高的加速度(在容器内的惯性坐标系中)与重力在相同的方向上，则可以调节加速度的比率和大小，从而使平均速度为零或者甚至与重力的方向相反。换句话说，可以通过振动的影响抵消重力的影响并且微粒可以在流体内部漂浮。
图2示出了容器1内的微粒的运动，该容器1通过理想的矩形波被加速。微粒相对于容器1的运动在远小于与图2(b)中的实线类似的振动周期中达到终极速度。容器1的平均加速度必须等于零，因此：a1t1＝a2t2
如果终极速度与加速度(包括重力加速度g)的平方根成比例，那么平均速度可通过该公式近似得到：
因此，为了获得为零的平均速度，则：
结合方程得出：
其中，r＝t2/t1，a2＝a1/r
当r＝2时(即，相较于向上的情形，容器向下以一半的加速度加速两倍时长)，加速度为5g与2.5g。
如前述公式示出了理想的情况。在实际情况中，时间段太短以致不能在振动相位尽早达到终极速度或者甚至不能达到终极速度，尽管需要较大的加速度，但仍然可以实现漂浮。
图2(b)中的虚线示出了这样的微粒的速度。即使平均速度(或总的运动)不再与加速度的平方根成比例，该平均速度仍然不是线性相关的。在有足够的加速度和/或足够长的时间段的情况下，仍然可以抵消重力。
类似地，完美的矩形加速度波是不实际的，但这对于漂浮来说不是障碍。漂浮甚至在加速度波是仅两个正弦曲线之和的情况下可以发生，其中，两个正弦曲线中的一者的频率为另一者频率的两倍并且所述正弦曲线处于适当的相位和振幅关系的状态下。
图3示出了这样的波形。几乎可以使用具有较短时间段的向上较大的加速度以及较长时间段的向下较小的加速度的任何波形。此外，加速度甚至不需要为周期性的。可能需要也许具有随机分量的波动波形以增强微粒的运动。一个优选的实施方式利用了图3示出的双正弦波形，但其绝不是能够实现漂浮的唯一的振动形式。
微粒可以比流体更稠密但却向上漂浮，或者甚至同时地微粒不比流体稠密但却向下漂浮。例如，实验使得玻璃珠、薄铝件或精钢丸均在水中向上漂浮，同时空气泡沫或空心玻璃泡向下漂浮。鼓泡反应器可以通过能够使泡沫漂浮并且使泡沫下沉或者精确地控制泡沫上升的速率得到改进。
需要精确地抵消重力的加速度基于微粒的大小、密度、形状和粗糙度、流体的密度和粘度以及加速度波形的形状而变化。保持其它一切恒定不变，存在有在需要最小加速度使微粒漂浮的情况下的特定大小的微粒。例如，数值模拟(由物理测试近似地确定)可以针对在水中的不锈钢钢球预测所述不锈钢球的优选的尺寸，所述数值模拟以大约每秒30个周期振动，其中，向上加速度是向下加速度的两倍。球的优选的直径尺寸为近似0.05mm至近似0.3mm，更优选地直径大约为0.135mm。对于在水中的球形的空气泡沫在相同条件下的优选的直径尺寸为近似0.2mm至近似1mm，并且更优选地直径大约为0.5mm；然而，空气泡沫在压力作用下会变形，因此球形的近似是不准确的。成形为具有更高惯性拖曳力的微粒更容易漂浮(需要更小的加速度)，因为所述微粒会更快地达到终极速度，并且惯性拖曳力在较低速度下相比粘性拖曳力占主要地位。因此，球体与相同密度和相同质量的更长但更薄的丝状件相比更难漂浮，并且薄板件比较厚的板件更容易漂浮。
多个微粒可以同时漂浮，即使微粒之间的相互作用使该漂浮过程变得复杂。振动或其他微粒会使微粒破碎成更小的微粒，这往往使漂浮变得更容易。例如，与穿过大气下落的大雨滴的破碎类似，在水中的大的空气泡沫由于水的拖曳力而破碎，并且更小的泡沫能够更容易向下漂浮。空气或其他流体的泡沫还可以进一步由于固体微粒(无论所述固体微粒是否是完全漂浮的)而破碎。在不需要超声波频率或其他流体化技术所需要流通液体的情况下，大量的固体微粒可以被漂浮以及流体化。微粒之间的相互作用可以影响微粒漂浮所需要的加速度的振幅。计算流体动力学可用于模拟该效应，或者该效应可以通过实证研究来确定。微粒之间的相互作用经常会产生有利的副作用。例如，微粒受其他微粒尾迹的影响，使得当一个微粒位于另一个微粒的上游并且足够接近(例如，两个微粒间隔开球形微粒的大约2至3个直径内)时，从而引起微粒“轻触”。微粒可以暂时地聚集或以其他方式相互作用。这些效应可在相对适度的浓度下发生。例如，以体积计大约仅占1％的微粒浓度导致球形微粒之间的大约2.7个直径的平均间距，该距离是足够近的用于微粒间的相互作用。
微粒的凝聚和/或“轻触”可以引起均相成核。凝聚导致局部过饱和，并且“轻触”使分子直接接触，所述两者可以促进成核。振动可以有助于结晶化，但不知道是否可以在如此低的频率下获得如本发明实施方式可能获得的这种效应。此外，本发明的实施方式通过使与整个容器体积相同的量的全部流体振动来增加均匀性。在振动之前或振动期间，可以使所述流体过冷或者可以添加抗溶剂或者可以移除溶解剂，从而实现过饱和与成核。
研究人员已经提出了气穴在均相成核中起作用。然而，气穴不是必要的。可以通过超声波获得均相成核，该超声波具有足够低的功率并不引起气穴。当气穴不存时激励成核的一个原理是微粒间相互作用，该微粒间相互作用由微粒相对于体相流体的速度所导致的拖曳而引起。
气穴
如果压力下降到低于某一值时，处于容器一端的可压缩泡沫(或容器的未形成刚性屏障的任何部分)可以在容器的相反两端处引起气穴。这个值通常是液体的蒸气压力，但该值会根据其他因素例如液体中的气体含量或固体含量而发生变化。(如果容器的高度接近或大于流体中的振动的波长时，则也可能发生气穴现象。)当由于向下加速度(减去g)以及液体的高度而引起的液体压力的变化大于容器内的初始压力而小于(近似于)流体的蒸气压力时，则会发生气穴现象。因此，存在有如下可进行修改的多个参数以避免或产生气穴现象，所述参数包括泡沫的存在、泡沫的不存在或泡沫的位置、容器内的平均压力、容器的高度、流体的密度以及振动波形的频率、振幅和形状。
将容器内的平均压力保持成足够高可以避免气穴。例如，在标准大气压力下以及最大向下加速度大约为30g的条件下，在高度达近似一英尺的容器内可以避免气穴。在如下刚性容器中的气穴甚至也可以在较低的压力下或较高的加速度条件下避免：该刚性容器中没有可压缩泡沫或没有其他微粒，或者该刚性容器两端处有足够大的可压缩和可膨胀的泡沫，由于这些现有的泡沫随着压力变化而膨胀，从而防止新泡沫的形成。
如果需要，可以通过降低容器内的压力而容易地实现气穴。这种压力的降低可以简单地通过对密封容器内的流体进行冷却来完成，这种冷却可以使压力降低为与流体的蒸气压力一样低，从而产生蒸气泡沫或产生任何先前溶解的气体的泡沫。因此，优选地对刚性密封容器的温度进行控制，并且如果要避免气穴，可以在高压力下或者在安全地低于该容器操作温度的温度下对该容器进行密封。可以对容器内的压力进行动态地控制，从而根据需要防止气穴或使气穴发生。
当对于气穴而言压力足够低时，如上所述可以对振动波形的形状进行调节以使泡沫漂浮，从而防止气穴，或者可以使该波形反向以抑制负浮力而保持泡沫处于顶部，从而增加气穴，同时保持相同的频率和振幅。容器的底部形状优选地是弯曲的或锥形的，以稳定气穴泡沫的位置和形状。
气穴是由压力的快速变化而引起的液体内的成核及泡沫(腔)的坍塌。正弦振动会导致气穴坍塌，由于非线性效应，气穴坍塌甚至比压力的变化速率更快。非正弦振动可以增大或减小气穴的速度。这可以通过对振动添加高次谐波以生成类似于方波或锯齿形波的波来完成。方波或锯齿形波的恰当的极性可能会增大气穴的速度，而相反极性可以减小气穴的速度。用于使气穴坍塌的速度最大化或最小化的最佳波形可能取决于很多因素，包括但不限于振动驱动器的限制。
泡沫还可以在一个振动频率下漂浮，同时第二声波源在更快的频率下导致气穴。第二声波源的频率可以被调谐为泡沫的自然频率，该自然频率是泡沫的尺寸的函数。比起现有的可能性，这允许使用更宽范围内的泡沫的尺寸和频率。
本发明非常适合于研究气穴。由于本发明可以在较低频率(例如，几十赫兹或甚至更低)下产生具有直径超过一毫米的相对较大的泡沫的气穴，因此，与具有更小的泡沫的超声气穴相比，对气穴过程的观察和测量更容易。
水平及多维振动
在本发明的另一个实施方式中，容器被水平地振动以分离或改善微粒的混合。例如，如果期望是分离的，鼓泡反应器可以以使泡沫移动至右边并且使稠密的微粒移动至左边的方式水平地振动，则将微粒与泡沫分离开。当期望是混合时，则该振动可反复地反向使得较轻与较重的微粒切换位置，水平地混合所述微粒使其横穿容器的整个宽度，从而增加了反应速率、质量转移速率、热交换、扩散率或其他过程的速率。类似地，可以使竖向振动的形状和/或振幅波动，从而提高竖向混合。
振动也可以同时应用于三维空间中，或者说可以使振动的轴线旋转。在诸如地球轨道的微重力环境内，这允许微粒充分地漂浮以及抵抗残余加速度的能力。在三维空间中的振动的形状波动或振动轴线的旋转将使微粒在三维空间中混合。
本发明的实施方式包括整个容器的振动，而不仅仅一个壁振动或超声波探针的插入点的振动，振动在整个容器上基本上是均匀的。该均匀性具有多个优点。在整个容器上的反应速度、温度、浓度以及压力都是更均匀的。
热对流
本发明的一个实施方式也可用于消除流体中的热对流或使热对流反向。所述类型的振动可以使处于容器底部的流体的冷层向上流动穿过较暖流体流动至容器的顶部。这种效应在流体中使用热变色颜料来呈现，即流体在顶部处被加热，并且在底部处被冷却。在慢动作视频中，较冷液体在振动的影响下上升。减缓对流或使对流反向的能力可以提高化学过程，比如结晶、凝固以及燃烧。
也可以实现减少或消除气体中的对流。这可以改善燃烧过程，但如果振动的振幅较高，则火焰的位置必须随着热气体的运动而移动，否则火焰会强烈地波动或熄灭。振动的第二源或杠杆系统需要保持火焰位置与热气体的运动同步。
胶体、合金等
本发明的实施方式的另一个应用是对不同密度的两种或更多种的非混溶流体的快速混合以生成胶体。随着振动增强，波纹在流体之间的分界面处形成并增大，最终变成足够大使得一种流体的泡沫可以夹带在其他流体中。如果振动是纯正弦的，则泡沫将趋于沉降回去，但当该振动是如上所述的非正弦时，合适尺寸的泡沫可以进一步漂浮到其他液体中。随着振动继续，较大的泡沫破碎成较小的泡沫，直到聚合速率(泡沫彼此碰撞并形成大的泡沫的速率)基本上等于振动使泡沫破碎的速率为止。胶体可以以宽范围的振动频率而迅速地产生，该较宽范围的振动频率从每秒几个周期高达至超声频率。只要振动保持则胶体将持续存在。可以对振动的频率、形状和振幅进行调节以改变液滴的大小，使液滴可能地足够小以在振动停止很久以后保持胶体的稳定性。也可加入稳定剂以改善稳定性。
本实施方式的一个示例是在冰淇淋和其它冷冻甜点的生产中。奶油、调味糖浆以及空气可在室温下彻底地混合并且之后对其进行冷冻。胶体混合物可以是足够稳定并且足够细粒的以使得通过将具有混合物的容器储存在冷冻箱中对该混合物进行缓慢冷冻，其结果是形成具有小冰晶微粒的平滑纹理的冰淇淋。这种技术具有优于搅拌同时冷却的传统方法的若干优点。第一，混合装置并不需要被冷却。第二，混合冰淇淋的容器也可以是船载的和/或服务或销售的容器，在这种情况下，在不同口味的制造之间不需要清洗设备。冷冻甚至可以在输送期间进行，比如在冷冻卡车中，而且冷冻可能被延时直到交货以后，从而降低了溶化的风险。
另一个应用是在振动停止后迅速分开的合金或凝固胶体的生产中。两种或多种流体可以混合成优良的胶体并且振动在冷却过程期间继续以使混合物凝固。可以对振动的频率和振幅进行调节以调节不同材料的颗粒的尺寸。这种技术可以用于产生新的或改进的合金、固体泡沫以及类似的材料。
流化床及鼓泡反应器
与流化床反应器的流动速率相比，本发明的实施方式可以实现微粒的相对于流体的更高的速度。对于流化床来说，存在有使微粒流体化的一个流动速率(或窄范围的速率)，而本实施方式的振动振幅和频率可以在较宽范围上被调节，因为波形的形状可以被调节成用以保持微粒漂浮。例如，可相对于第一谐波对第二谐波的振幅进行调节，以实现流体化。此外，实施方式不需要用于流体的再循环路径。
也可以通过该实施方式改进或替换包括水处理应用装置的鼓泡反应器。研究人员发现，正弦振动可以增加鼓泡反应器中的质量转移速率。研究人员还注意到泡沫的上升可以通过正弦振动而减缓。然而，研究人员没有发现如何通过非正弦振动使泡沫完全停止上升或者甚至反向。除了加速质量转移速率，使用非正弦振动使泡沫漂浮可以提高气体的利用而且允许使用较短的鼓泡。
振动测试
还可以通过本发明的实施方式对振动测试进行改进。目前的振动测试标准只需要正弦振动、正弦扫频测试、随机测试和/或冲击测试。然而，如上所示，通过周期性但非正弦的振动甚至通过仅仅添加第二谐波，则会出现在正弦波形或随机波形的情况下甚至从未观察到的显著的效应。竖向振动可以使微粒在不太稠密的流体中漂浮并且甚至聚集在顶部处，同时水平振动可以引起其他效应中的水平流动。
尤其是，可以通过本发明的实施方式对电池检测进行改进。电池取决于可预测的、稳定的离子微粒的穿过电解液的运动，并且因此所述电池对影响这种运动的振动特别地敏感。如果电池经受压力和/或温度的外部变化时，则进行彻底的振动测试的需要就是更重要的。非正弦振动会造成通过任何量的正弦或随机振动测试无法揭示的损坏。气穴可以发生在尤其是当电池内部由于压力下降——温度下降会引起该压力下降——而使气体泡沫形成时。如果电池容器具有通气孔，振动或热量则可能会引起电池的泄放，从而降低了电池内的压力，因此在冷却之后蒸汽泡沫可形成在电池内。非正弦振动也会影响电解质的流动，从而引起电解质和离子的浓度在电池内发生变化。非正弦振动还可以减小或增加对流，这会引起电池过热。振动也可以使离子微粒更快流动穿过电解质溶液，引起尖峰电流。非正弦振动可以抑制或增加在一个方向上的离子运动，增大或减小用于充电所供给或需要的电流。振动还可能会导致电解质和离子由于拖曳力的效应而结块。由于所有这些原因，优选的是使用非正弦波形(如图3c中的由第一谐波和第二谐波组成的波形)对锂或其他高危险的电池进行振动测试，而在实际使用中会遇到温度和压力在整个范围内波动。
在一个实施方式中，振动测试方法包括多个步骤，所述步骤可以完全重复或检查用于长期的行为。对于一些测试，第一步是可选的，第一步是降低流体环境的内压力，使得蒸汽泡沫或气体泡沫形成，或更有可能地在随后步骤中制造气穴。这通常可以简单地通过对密封容器内的流体进行冷却(并且通过随后的步骤保持流体冷却)来完成。可替代地，可以对容器进行通气，从而压力降低并且对容器进行重新密封，其中，允许使少量气体泡沫替代一些流体。如果受测容器具有内置的通气机构以减少流体，以防容器内更高的压力积聚(如在某些锂电池上的通气孔)，加热流体、使容器振动或降低通气孔外侧压力，可以通过挤出或吸出一些容器内的流体来降低压力。然后，流体的温度可以恢复正常。
振动测试中的下一个步骤是：通过不同的正弦波形与非正弦波形使容器沿感兴趣的轴在足够长的时间段内振动。尤其是，至少可以对三个或四个不同的波形以每个期望的频率进行测试。沿着竖向(或部分竖向的)轴，一个波形可以为足够的非正弦的以引起小泡沫向下流动并且小的比流体重的微粒向上流动。如图3所示，第一谐波与第二谐波之和的波形是一个实施方式。相同或类似的但反向的波形是用于测试的另一波形。该波形可以阻止正弦振动作用在夹带的泡沫上的负浮力效应，并且防止较重的微粒由于振动而上升。对于测试气穴坍塌的长期效应，这样的波形是很重要。由于正弦振动作用在可压缩泡沫上的负浮力效应而下沉的夹带的泡沫可能会干扰或防止气穴，因为这些泡沫可以根据压力改变而增大或缩小，而不是由于气穴的增大以及新的泡沫的坍塌。(这是纯正弦波形其自身为什么不是优选的测试波形的另一个原因，由于正弦的波形在振动的初期仅能引起少量的气穴，这将在仅仅几个周期之后，一旦夹带的泡沫已下落至距底部为流体的一半时，则停止气穴。)第三类型的用于测试的波形为如下波形：该波形仅仅是非正弦的足够使一些泡沫或微粒在整个容器中漂浮。可能需要对这种波形进行稍微调节以确保在充分宽的范围的漂浮和混合。此外，不同的波形或振幅可以用于使不同类型和尺寸的微粒或泡沫漂浮。可选地，向上和向下两者的重复冲击测试也可以优选地以足够的振幅执行以引起气穴(虽然冲击试验可以被认为是已经提到的非正弦测试的子集)。最后，纯正弦振动也能够被测试。类似的测试可以在水平轴上完成，以测试非正弦振动可以导致整体运动的可能性。此外，水平振动测试对于具有流体夹在固体竖向部件或固体竖向板之间的电池或其它设备可能是重要的，因为水平振动可以影响水平的运动速率以及竖向板之间的流体与微粒的扩散速率。
在所有这些测试中，优选的波形是包含流体的容器最内部的实际的振动，而不是施加到换能器的功率或在不存在测试项目或任何外部容器的振动的情况下的测试装置的振动。如果待测试的容器或流体是一个较大的对象的一部分，则有必要或期望使较大的对象振动，而不是使容器本身振动，此外，测量或了解容器受到的实际的振动波形可能是不可能或不实际的。在这样的情况下，可以测试更多的波形，改变第二谐波(并且可能的高次谐波)的相位和/或振幅，以确保容器内部受到所有感兴趣的振动波形的作用。例如，单个的电池可以包含多个单独的外壳内的单元，并且可以期望测试整个电池而不是单独的单元，以测试单元之间的散热或其他相互作用。如果单元没有牢固地附接至外壳，单元可能会以与整个电池不同形状的波形振动。优选地，加速计或音频换能器可以附接至内部单元或多个单元并且用作参考波形。如果这是不可能的，但内部单元对外部电池振动的振动响应是已知的，那么可以对电池的振动进行调节以产生内部单元所需的振动。如果该振动响应是未知的，那么应当对多种波形进行测试。适当的波形往往可以通过缓慢地扫描二次谐波的相位和振幅而发现，同时寻找来自声学换能器或其他传感器的非线性响应，声学换能器或其他传感器通常显示可以引起损坏的气穴或其他非线性效应。
测试可以在整个操作范围中以不同的温度和压力重复，尤其是以低温和低压重复，并且从一个温度和/或压力到另一个温度和/或压力的过渡会增加如上所解释的气穴发生的可能性。
每个波形可以被施加达足够量的时间以允许累积效应。可选地，测试还可以通过短时间段的不同波形交替或循环，以测试过渡是否引起损坏或失效。
一个实施方式包括声学换能器或其他传感器，以检测由针对振动的气穴坍塌或其它非线性响应引起的声波。尤其是，气穴和其他效应可能仅发生在每个波形的应用的初期或结束期或者波形之间的过渡期。测试程序可以记录任何异常，所述异常可以是气穴坍塌的证明，并且那些测试条件能够被重复以检查积累损坏。
如果待测试的对象是较大系统的一部分，优选的是在尽可能地接近正常操作的情况下进行测试，并且对对象在振动下的性能与在没有振动的情况下的性能进行比较。例如，如果测试对象是电池，优选地对模拟正常使用的电路或充电器进行测试，并且可以对经受振动的电压波形和电流波形与没有振动的情况下的所述波形进行比较。测试之后，可以对受到振动的电池的内部相对于遭受相同测试的没有振动的电池的内部进行检查。
如果发现因振动引起的损坏，则进行测试的对象可以重新设计有内部或外部减振机构。可替代性地或另外地，可以加入振动传感器以检测危险振动和/或气穴坍塌的出现或其他潜在的破坏性条件。如果压力变化和/或温度变化或者其他变量也显示出对失效风险有作用，那么这些因素可以通过传感器控制和/或记录。
改善电池
本发明的另一个目的是通过正弦或非正弦振动的应用以增大电池单元可供给的电流或电池单元的充电速度的装置及方法。水平正弦振动增加了竖向电极之间的电解质和离子的流动，即降低了单元的内部电阻并且增大了最大电流并且所述两者均用于充电与放电。非正弦水平振动可以导致离子在特定方向上迁移。如果阴极与阳极之间的方向在整个单元是相同的，比如在双极电池中，那么这种迁移可以根据振动波形的极性以放电为代价改善充电或者以充电为代价改善放电。足够大的振动振幅甚至可能足以给电池充电或降低充电所需要的电压。根据所需要的电流，可以动态地增加或减少、或完全消除振动。这种灵活性允许电极之间有较大的间距，从而通过减少内部短路的风险提高了安全性并且提高了用于通过中断振动而中断热失控的能力。超声波
本发明的另一种应用是在医学超声领域中。可以对超声波波形的形状进行调节以保持气穴或组织较低加热的风险为低的同时引导流动。美国专利5,523,058(于1996年6月4日授权Shinichiro Umemura)中公开了结合第一谐波与第二谐波的超声波装置，但是描述的效应为增加气穴。虽然气穴也可以有所增加，但是所观察到的大部分效应可能是由于流动或非正弦振动作用在不同尺寸、不同形状或不同密度的微粒上的混合效应。在适当的相位和振幅关系(例如，接近方形的压力波)下添加代替第二谐波的奇数谐波，可以在不引起流动的情况下增加气穴，除非穿过具有对超声波有足够的非线性响应的组织或泡沫。相反地，添加具有正确的相位和振幅关系的谐波，可能地通过接近三角形压力波或锯齿形波的右极性来添加谐波，可以通过减小压力的最大变化速率来减少气穴。降低气穴的风险能够使超声波更安全。
这些相同的原理可以应用到非医疗超声的使用。超声波波形可以成形并变化，以控制气穴的量以及混合、流动和漂浮的量。
本发明的另一个结果是实现下述情况：除了热指数(TI)和机械指数(MI)之外，存在用于评估医疗超声的安全水平的第三度量标准的需要。这个新的度量标准可以对由非正弦振动引起的流动和/或混合的可能性提供更好的量度，并且可以根据从反射波中测量出来的第二谐波(或其他偶数谐波)的振幅进行计算。另外，当添加附加的谐波(或由对正弦波的非线性响应引起的)时，可以对MI以及可能的TI的定义进行调节。
虽然本发明的前述书面说明使得普通技术人员能够制造并且使用目前被认为是本发明的最佳模式，那些普通技术人员应当理解并领会本文中的特定的实施方式、方法和示例的变型、组合以及等效方案的存在。因此，本发明不限于上述的实施方式、方法以及示例，而是限于在本发明的范围和精神之内的所有实施方式和方法。
虽然以上对各种实施方式进行了描述，但应该理解，它们仅仅作为示例提出而不是限制性的。本说明书并不旨在将本发明的范围限制于本文中提出的特定形式。因此，优选的实施方式的广度和范围不应限于任何上述示例性实施方式。应当理解的是，以上描述是说明性的而非限制性的。相反地，本发明旨在涵盖由所附权利要求所限定的以及本领域的技术人员所理解的其它方面的包括在本发明的精神和范围内的这些替换物、改型以及等效方案。因此，本发明的范围不应该参照以上描述来确定，而是应该参照所附权利要求以及其等效方案的整个范围来确定。

Claims (19)

1.一种用于提供非对称振荡的装置，包括：
容器；
布置在所述容器中的流体和微粒；以及
振动驱动器，所述振动驱动器附接至所述容器，其中，所述振动驱动器使所述容器振荡，以通过所述流体使所述微粒具有非对称速度。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，重力加速度由于所述振荡而被抵消。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述振动驱动器提供作为两个或更多个波形之和的振荡。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，通过改变相对相位、振幅或频率而产生非对称。
5.根据权利要求3所述的装置，其中，所述两个或更多个波形中的第二波形的基本频率是所述两个或更多个波形中的第一波形的基本频率的两倍。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述振动驱动器提供作为不同频率的两个正弦波之和的振荡。
7.根据权利要求1所述的装置，还包括控制器，所述控制器连接至所述振动驱动器，其中，所述控制器控制所述非对称振荡的振幅、频率和形状。
8.根据权利要求1所述的装置，还包括传感器，所述传感器布置在所述振动驱动器上以用于为所述控制器提供反馈。
9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述振动驱动器包括压电式换能器。
10.权利要求1所述的装置，其中，所述振动驱动器包括旋转马达，所述旋转马达连接至用于将圆周运动转换成直线运动的机构。
11.一种对容器提供非对称振荡的方法，包括：
将流体和微粒布置在所述容器中；
借助于附接至所述容器的振动驱动器通过所述流体使所述微粒产生非对称运动；以及
使所述流体的非线性拖曳力在所述微粒上施加作用。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，使所述流体的所述非线性拖曳力施加作用致使所述微粒在所述流体中运动。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，使所述流体的所述非线性力施加作用致使所述微粒克服重力漂浮。
14.根据权利要求11所述的方法，还包括通过控制器控制所述非对称运动的振幅、频率以及形状。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括通过传感器为所述控制器提供来自所述振动驱动器的反馈，其中，所述反馈影响所述非对称运动的控制。
16.根据权利要求11所述的方法，其中，产生非对称运动包括所述振动驱动器提供高频振荡。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述高频振荡为超过每秒1000个周期。
18.根据权利要求11所述的方法，其中，产生非对称运动包括所述振动驱动器提供低频振荡。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述低频振荡为低于每秒100个周期。
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