CN107680455A - 采用超疏水反射端加载水滴的超声悬浮装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用超疏水反射端加载水滴的超声悬浮装置及实验方法，该装置包括信号发生器、功率放大器、示波器、超声换能器、变幅杆、发射端、反射端、升降台，其中反射端面为超疏水表面，并固定在升降台上。信号发生器产生的正弦信号经功率放大器放大，输出在超声换能器上，换能器和变幅杆的谐振状态通过示波器检测。在发射端与反射端之间的间距大于谐振间距20％时，使用注射器将10‑50μL水滴注射到反射端上，通过升降台向上调节反射端，可使待悬浮的水滴在所受声辐射力的作用下克服重力而起跳至悬浮状态。

Description

采用超疏水反射端加载水滴的超声悬浮装置及实验方法

技术领域

本发明涉及一种采用超疏水反射端加载水滴的超声悬浮装置及实验方法，属于材料无容器处理技术领域。

背景技术

超声悬浮是一种重要的无容器处理技术，它利用高强声场的非线性效应产生的声辐射力来平衡物体的重力，实现物体的悬浮。其优点是对物体的电磁性质没有限制，因此可以处理各种类型的材料，尤其在液滴动力学领域具有广泛的应用。

目前，水滴作为一种典型的对象，文献中报道的加载方式为采用注射器将一定体积的水滴注射到单轴式超声悬浮的声压波节附近[Po-Cheng Lin,Lin I,Phys.Rev.E 93,021101(R),2016][Z.L.Yan,W.J.Xie,B.Wei,Physics Letters A 375,3306-3309,2011]。采用这种方法加载水滴时，需要操作者双手同时动作，一手采用注射器注射水滴到声压波节附近的合适位置，一手调节发射端与反射端之间的间距或者声场强度以保证水滴受到足够的声辐射力而被悬浮起来，对操作者的实验经验要求较高。此外，加载水滴时超声场处于强谐振状态，强的声辐射压使水滴在悬浮位置附近可能存在雾化、飞溅等问题，影响实验精度和效率。

发明内容

为解决目前超声悬浮实验装置以及实验方法带来的操作复杂、难度高，对操作人员实验经验要求高，水滴加载的精度和效率较低的问题，本发明提出了一种采用超疏水反射端加载水滴的超声悬浮装置及实验方法，其操作简单，可提高水滴加载的精度和效率。

为实现上述目的，本发明采用了下列技术方案：

所述一种采用超疏水反射端加载水滴的超声悬浮装置，其特征在于：包括信号发生器、功率放大器、示波器、超声换能器、变幅杆、发射端、反射端、升降台；

所述反射端表面为超疏水表面；所述反射端由升降台支撑并可在竖直方向移动；所述超声换能器通过变幅杆连接发射端；发射端位于反射端上方；

信号发生器、功率放大器、示波器以及超声换能器之间具有电信号连接，信号发生器产生的谐波信号输出到功率放大器进行放大，放大后的信号输出到超声换能器上；示波器检测超声换能器两极电压。

进一步的优选方案，所述一种采用超疏水反射端加载水滴的超声悬浮装置，其特征在于：反射端表面形状为平面或凹球面。

利用上述超疏水反射端超声悬浮装置进行加载水滴的实验方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：调整信号发生器输出谐波信号频率，并观测示波器显示的电压幅值，根据示波器显示的电压幅值确定超声换能器和变幅杆工作在谐振状态；

步骤2：调节发射端与反射端之间的间距，使发射端与反射端之间的间距大于第一谐振间距，间距差值为第一谐振间距的20％±1％；

步骤3：使用注射器将10μL-50μL水滴注射到反射端上；通过升降台向上调节反射端的位置，使待悬浮的水滴在声辐射力的作用下克服重力起跳至悬浮位置。

有益效果

本发明的有益效果是：

1)先在弱谐振条件下注射水滴到反射端表面上，然后调节发射端反射端间距以增强声场使水滴向上起跳，注射水滴和调节发射端反射端间距这两个动作分开进行，简化了操作过程，无需操作者具有较高的实验经验。

2)发射端与反射端之间的间距大于谐振间距的20％时，声场处于弱谐振状态。此时将水滴加载到反射端表面，并逐步升高反射端以增强声场强度，可避免水滴被强声场击碎而雾化。

3)反射端表面为超疏水表面，水滴与反射端表面不浸润，可使初始注射的水滴完全在声辐射力的作用下克服重力起跳，保证了加载水滴的精度。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明装置的示意图。

图中，1-信号发生器，2-功率放大器，3-示波器，4-超声换能器，5-变幅杆，6-发射端，7-反射端，8-升降台。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

参照附图1，本实施例中的采用超疏水反射端加载水滴的超声悬浮装置包括信号发生器1、功率放大器2、示波器3、超声换能器4、变幅杆5、发射端6、反射端7、升降台8。

所述反射端7为平面，表面喷涂有Ultra-Ever Dry超疏水剂。反射端7固定在升降台8的升降平面上，并可以在竖直方向移动。所述超声换能器4通过变幅杆5连接发射端6；发射端6位于反射端7上方。

信号发生器1、功率放大器2、示波器3以及超声换能器4之间具有电信号连接。信号发生器1产生的正弦信号经功率放大器2放大，放大后的信号输出到超声换能器4上，示波器3检测超声换能器4两极的电压。

信号发生器1输出信号的电压峰峰值设置为8V，调整信号发生器输出正弦信号的频率，同时观测示波器显示的电压幅值，当示波器显示的电压幅值达到最大值时，表明换能器4和变幅杆5工作在谐振状态。本实施例中谐振频率为23.1kHz，超声换能器工作电压峰峰值为400V。

当超声换能器4和变幅杆5处于谐振状态后，调节发射端6与反射端7间距为8.9mm，大于第一谐振间距(7.4mm)20％。使用微量进样器将30μL水滴注射到反射端7表面中间处。由于反射端表面为超疏水表面，水滴与反射端表面不浸润。旋转升降台8上的螺旋杆，向上缓慢调节反射端，在发射端与反射端之间的间距接近谐振间距时，水滴上下表面的声辐射压力差使水滴受到向上的声辐射力，水滴在声辐射力的作用下克服重力而脱离疏水反射端起跳至悬浮状态。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (3)

1.一种采用超疏水反射端加载水滴的超声悬浮装置，其特征在于：包括信号发生器、功率放大器、示波器、超声换能器、变幅杆、发射端、反射端、升降台；

所述反射端表面为超疏水表面；所述反射端由升降台支撑并可在竖直方向移动；所述超声换能器通过变幅杆连接发射端；发射端位于反射端上方；

信号发生器、功率放大器、示波器以及超声换能器之间具有电信号连接，信号发生器产生的谐波信号输出到功率放大器进行放大，放大后的信号输出到超声换能器上；示波器检测超声换能器两极电压。

2.根据权利要求1所述一种采用超疏水反射端加载水滴的超声悬浮装置，其特征在于：反射端表面形状为平面或凹球面。

3.利用权利要求1所述超疏水反射端超声悬浮装置进行加载水滴的实验方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：调整信号发生器输出谐波信号频率，并观测示波器显示的电压幅值，根据示波器显示的电压幅值确定超声换能器和变幅杆工作在谐振状态；

步骤2：调节发射端与反射端之间的间距，使发射端与反射端之间的间距大于第一谐振间距，间距差值为第一谐振间距的20％±1％；

步骤3：使用注射器将10μL-50μL水滴注射到反射端上；通过升降台向上调节反射端的位置，使待悬浮的水滴在声辐射力的作用下克服重力起跳至悬浮位置。