CN110092439A - 小型涡旋声束发生器及涡旋声束粒子操控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于超声粒子操控技术领域，具体涉及一种小型涡旋声束发生器及涡旋声束粒子操控方法。提供了一种小型涡旋声束发生器，其可以实现在水介质中形成涡旋声束，而且结构简单；同时，本发明还提供了一种用上述的小型涡旋声束发生器实现的涡旋声束粒子操控方法，可以通过改变激励信号的幅度和相位差实现不同大小粒子的转动方向和转动力矩的改变。本发明采用低频螺旋开槽换能器，易于对不同大小粒子的操控；可以改变粒子在介质中的转动方向和转动力矩；满足在水中的条件下实现微粒的悬浮与搬移，不易受外界环境的影响；材质价格便宜，制作方便，并便于实验观察；可以在容器的不同高度形成涡旋束，便于对粒子位置的控制。
Description
技术领域
本发明属于超声粒子操控技术领域，具体涉及一种小型涡旋声束发生器及涡旋声束粒子操控方法。
背景技术
随着当代科技的不断发展，超精密控制技术已经成为很多高精度仪器的重要组成部分，所以超声粒子操控技术的应用越来越广泛。超声波的固有特征使其在液体介质中传播时可传递很强的能量，能在界面上产生强烈的冲击和空化作用。且同声波一样会产生反射,干涉，叠加和共振现象。超声波之间的叠加可以产生涡旋声束，而且利用涡旋声束来控制粒子的运动在一些领域也得到越来越广泛的应用。
近年来，利用超声粒子操控技术处理悬浮液，从而去除或分离液体中的微粒的方法越来越被人们重视。在超声波声场下，微粒会在声辐射力的作用下向声压节运动。在这个过程中，微粒会碰撞凝聚，最终在声压较小的区域达到凝聚平衡状态。在合适的超声波功率及合理的超声波处理时间会得到较好的凝聚效果。经过超声波处理后的液体中的颗粒在凝聚后更容易上浮,从而达到去除液体中颗粒的目的。
超声悬浮技术是利用声辐射力将微粒悬浮在超声驻波场声压节点处的无容器处理技术，该技术可以使用非接触的方式处理体积为几微升甚至几十皮升的样品。随着超声悬浮技术的不断发展和完善，超声悬浮技术在无容器材料制备、地面空间状态模拟、流体的力学性能研究、太空实验、生化医学等方面有着广泛的应用前景。
一般的超声悬浮系统由超声波发生装置和介质组成。一般使用超声驻波平衡重力，使微粒悬浮。但是，随着现代科技发展之快，对所要操控的粒子的结构以及性能要求更高，这就需要对粒子操控的技术也要提高。对介质中的粒子经常进行移动和转动的操控，如果采用手工操控粒子，容易污染介质，且难以进行高精密的操作，采用超声驻波悬浮技术，也存在一定的缺陷。因此，现有的粒子操控方法难以满足对粒子操控的更高的要求。
发明内容
为了克服现有技术所存在的不足，本发明提供了一种小型涡旋声束发生器，其可以实现在水介质中形成涡旋声束，而且结构简单。
同时，本发明还提供了一种用上述的小型涡旋声束发生器实现的涡旋声束粒子操控方法，可以通过改变激励信号的幅度和相位差实现不同大小粒子的转动方向和转动力矩的改变。
本发明所采用的技术方案是：
一种小型涡旋声束发生器，包括底座和固定在底座上的盛液槽，其是在盛液槽外设置有涡旋超声波发生装置，所述涡旋超声波发生装置包括激励信号源和设置在盛液槽外壁上的n个低频螺旋开槽换能器，n≥2,n个低频螺旋开槽换能器在盛液槽外壁上均匀分布且相邻的两个低频螺旋开槽换能器之间的相位差△θ＝360°/n，使各个低频螺旋开槽换能器产生的纵向声束在液体介质中形成相互叠加的涡旋声束。
进一步限定，所述低频螺旋开槽换能器包括依次设置的前盖板、压电陶瓷堆以及后盖板，所述压电陶瓷堆的正负极引线通过放大器与激励信号源的信号输出端连接；所述前盖板是在等径直管的侧壁上开设有至少2条可放大纵向振幅的螺旋通槽，使前盖板形成弹簧结构。
进一步限定，所述螺旋通槽的起点在等径直管的同一圆周上均匀分布。
进一步限定，所述螺旋通槽的螺旋升角为20°～60°，螺距与等径直管的长度比值为0.5～0.95。
进一步限定，所述前盖板的纵振动输出端通过辐射板与盛液槽外壁耦合接触。
进一步限定，所述盛液槽为圆形槽或者正多边形槽，所述低频螺旋开槽换能器均匀分布在正多边形槽侧壁中心位置。
进一步限定，所述盛液槽为正多边形槽，且边数为偶数，相对设置的两个低频螺旋开槽换能器的水平距离为c/2的整数倍，c为声波速度，相对位置的换能器产生的超声波在盛液槽中形成驻波，在盛液槽中会形成正交驻波，更有利于产生涡旋声束。
一种利用上述的小型涡旋声束发生器实现的涡旋声束粒子操控方法，其包括以下步骤：激励信号源按照相位差△θ＝360°/n的激励信号分别对固定在盛液槽外壁上的n个低频螺旋开槽换能器作用，使n个低频螺旋开槽换能器产生n条向盛液槽中心辐射且相位差为360°/n的纵向声束，n条纵向声束相互叠加在盛液槽中形成涡旋声束，涡旋声束携带轨道角动量，使盛液槽中的微粒在涡旋声束的作用下旋转和聚集；通过改变激励信号的幅度，改变微粒的转动力矩；通过改变激励信号的相位差，改变微粒的转动方向，从而实现不同大小粒子的操控。
进一步限定，所述n个低频螺旋开槽换能器是通过在等径直管的侧壁上开设有至少2条可放大纵向振幅的螺旋通槽，使前盖板形成弹簧结构，压电陶瓷堆受到激励后应变和应力叠加作用在前盖板上，使激励产生的纵向声束的振幅放大后向盛液槽的中心辐射，在盛液槽中形成涡旋声束。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明采用低频螺旋开槽换能器，在等直径的情况下，可以增大换能器端面的振幅，通过在等径直管的侧壁上开设有至少2条可放大纵向振幅的螺旋通槽，使前盖板形成弹簧结构，压电陶瓷堆42受到激励后应变和应力叠加作用在前盖板43上，使激励产生的纵向声束的振幅放大后向盛液槽的中心辐射，可以降低换能器的工作频率降低到普通同尺寸等径换能器工作频率的1/10，在水中产生能量较大的超声波，易于对不同大小粒子的操控。
2、本发明采用四个超声波换能器产生四个方向的超声波，两个相对方向的超声波在水中相互叠加从而形成驻波，两个具有正交相位的不同方向的驻波在水中就会形成涡旋声束，由于涡旋声束具有轨道角动量，可以实现粒子在介质中的旋转，进而改变粒子在介质中的转动方向和转动力矩。
3、本发明小型涡旋声束发生器可以将产生的涡旋声束用于悬浮和搬移微粒，满足在水中的条件下实现微粒的悬浮与搬移，不易受外界环境的影响。
4、本发明的盛液槽可以采用有机玻璃制成的圆形槽或者正多边形槽，可以大大减少超声波在容器壁上的损失，能使辐射的超声波在盛液槽中产生稳定的驻波，而且在盛液槽中心处只存在一个驻波节点，可以使微粒在中心处聚集，而且这种材质价格便宜，制作方便，并便于实验观察。
5、本发明使用高度可调节的换能器固定装置，可以在容器的不同高度形成涡旋束，便于对粒子位置的控制。
附图说明
图1是本发明实施例1的实现小型涡旋声束发生器的装置的结构示意图。
图2是图1的结构俯视图。
图3是图1中低频螺旋开槽换能器的结构示意图。
图4是本发明实施例1的四个相位不同激励下尺寸为1/2倍波长的正交声场仿真声压级图像。
图5是本发明实施例1的四个相位不同激励下尺寸为1/2倍波长的正交声场仿真切面声压幅值图像。
图6是本发明实施例1的四个相位不同激励下尺寸为1/2倍波长的正交声场仿真切面声压相位图像。
图7是本发明实施例1的两个正交相位不同驻波激励下，0.01s时压力声场中的粒子分布图。
图8是本发明实施例1的两个正交相位不同驻波激励下，0.205s时压力声场中的粒子分布图。
图9是本发明实施例1的两个正交相位不同驻波激励下，0.625s时压力声场中的粒子分布图。
图10是本发明实施例1的两个正交相位不同驻波激励下，1s时压力声场中的粒子分布图。
图11是本发明实施例2的两个正交相位不同驻波激励下，0s时压力声场中的粒子分布图。
图12是本发明实施例2的两个正交相位不同驻波激励下，0.205s时压力声场中的粒子分布图。
图13是本发明实施例2的两个正交相位不同驻波激励下，0.625s时压力声场中的粒子分布图。
图14是本发明实施例2的两个正交相位不同驻波激励下，1s时压力声场中的粒子分布图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明的小型涡旋声束发生器，包括底座和固定在底座上的盛液槽，在盛液槽外设置有涡旋超声波发生装置，其中，底座1和盛液槽2均采用有机玻璃材料制成，具有声波透射率较高、易于加工、质量轻，观测方便等优点。盛液槽2通过防水胶固定于底座1上，提高整体结构的稳定性。为了便于不同高度调节，底座1可以采用高度可调节的固定装置，可以通过升降或方向甚至角度的调节，满足不同高度或角度位置需求的应用，也可以使涡旋超声波发生装置在不同高度形成涡旋束，便于对粒子位置的控制。盛液槽2可以为圆形槽或者正多边形槽，便于相对方向的超声波在液体介质中相互叠加从而形成驻波，具有正交相位的不同方向的驻波在液体介质中就会形成涡旋声束。当盛液槽2为正多边形槽时，其边数为大于等于2的偶数。
进一步说明，涡旋超声波发生装置包括激励信号源6、放大器5和设置在盛液槽外壁上的n个低频螺旋开槽换能器4，n≥2,n个低频螺旋开槽换能器分别通过放大器与激励信号源的信号输出端连接，n个低频螺旋开槽换能器在盛液槽外壁上均匀分布且相邻的两个低频螺旋开槽换能器之间的相位差△θ＝360°/n，且相对设置的两个低频螺旋开槽换能器的水平距离为c/2的整数倍，c为声波速度，使各个低频螺旋开槽换能器产生的纵向声束在液体介质中形成相互叠加的涡旋声束。低频螺旋开槽换能器的振动频率可以f＝20～80kHz的范围。
进一步说明，低频螺旋开槽换能器包括依次设置的前盖板、压电陶瓷堆以及后盖板，压电陶瓷堆的正负极引线通过放大器与激励信号源的信号输出端连接；前盖板是在等径直管的侧壁上开设有至少2条可放大纵向振幅的螺旋通槽，使前盖板形成弹簧结构，压电陶瓷的应力作用到弹簧上，产生了很大的振幅，弹簧的振幅要比压电陶瓷的应变大很多，因此可以使等径直管的前盖板纵向振幅输出放大。前盖板的纵振动输出端通过辐射板与盛液槽外壁耦合接触，以保证声波能量可以高功率并且水平的传入盛液槽中。
进一步优化，使低频螺旋开槽换能器的螺旋通槽起点在等径直管的同一圆周上均匀分布。螺旋通槽的螺旋升角为20°～60°，螺距与等径直管的长度比值为0.5～0.95，保证等径直管的结构性能和等效弹性能够满足压电陶瓷堆的应力和应变叠加，而且有利于声波的纵向振幅放大。
利用上述的小型涡旋声束发生器实现的涡旋声束粒子操控方法可通过以下步骤实现：
激励信号源按照相位差△θ＝360°/n的激励信号分别对固定在盛液槽外壁上的n个低频螺旋开槽换能器作用，使n个低频螺旋开槽换能器产生n条向盛液槽中心辐射且相位差为360°/n的纵向声束，n条纵向声束相互叠加在盛液槽中形成涡旋声束，涡旋声束携带轨道角动量，使盛液槽中的微粒在涡旋声束的作用下旋转和聚集；通过改变激励信号的幅度，改变微粒的转动力矩；通过改变激励信号的相位差，改变微粒的转动方向，从而实现不同大小粒子的操控。
进一步说明，本发明的n个低频螺旋开槽换能器是通过在等径直管的侧壁上开设有至少2条可放大纵向振幅的螺旋通槽，使前盖板形成弹簧结构，压电陶瓷堆受到激励后应变和应力叠加作用在前盖板上，使激励产生的纵向声束的振幅放大后向盛液槽的中心辐射，在盛液槽中形成涡旋声束。
实施例1
如图1所示，本实施例的一种小型涡旋声束发生器及粒子旋转和聚集的系统，包括底座1，盛液槽2，涡旋超声波发生装置4。本实施例的盛液槽2是采用正四边形槽结构，在每个外槽壁中心位置对应固定安装有一个低频螺旋开槽换能器，低频螺旋开槽换能器通过放大器5与激励信号源6的信号输出端连接，进而形成包含有4个低频螺旋开槽换能器的涡旋超声波发生装置4。在低频螺旋开槽换能器的前盖板(43)的前端分别固定声波辐射板3，并利用耦合剂使声波辐射板3与盛液槽外壁紧密接触，以保证声波能量可以高功率并且水平的传入盛液槽中。4个低频螺旋开槽换能器均匀分布在盛液槽四周，产生稳定的声波，频率相同，振幅相同，振动方向相同而传播方向相反的两列正弦波相互叠加形成驻波。
本实施例利用低频螺旋开槽换能器4把电信号转换为机械振动，机械振动向介质中传播产生大功率的超声波，本实施例以f＝80kHZ，其波长对应于λ＝c/f为例，其中，c为水中的声速，即确定盛液槽2为边长为1/2倍波长的无盖正方体结构，
如图3所示，在对第一低频螺旋开槽换能器(右)进行激励时，激励信号为正弦波，信号的相位设置为0°。在对第三低频螺旋开槽换能器(下)进行激励时，激励信号为同频率的正弦波，信号的相位设置为90°。在对第二低频螺旋开槽换能器(左)进行激励时，激励信号为同频率的正弦波，信号的相位设置为180°在对第四低频螺旋开槽换能器(上)进行激励时，激励信号为同频率的正弦波，信号的相位设置为270°。其中，第一低频螺旋开槽换能器(右)和第二低频螺旋开槽换能器(左)的这两列激励信号，频率相同，振幅相同，振动方向相同而传播方向相反，即这两列正弦波相互叠加形成驻波。同理，第三低频螺旋开槽换能器(下)和第四低频螺旋开槽换能器(上)的两列激励信号相互叠加同样形成驻波。
这四列声波在空间位置上相互正交，在相位上分别相差90°，形成了正交驻波。因而在盛液槽2里注入液体后，可以在盛液槽1中形成涡旋声束。在涡旋场中，声波会在行进过程中沿着其轴扭转，形成类似龙卷风一样的形态。这种扭转会造成轴线上波的彼此相消，产生一个具有零场强的中心。若涡旋声束投影在一个平表面上，声涡旋看起来将会像一个环，在中心处存在一个没有声压的“黑色”区域。如图4～6所示，是由正交驻波形成的声涡旋的声压级图像。
在驻波的波节处，两侧声压方向相反。这些驻波节点之间间距为λ/2，辐射压力具有回复力的特性，可以将物体的位置维持在声压节点附近处，因而置于水中的微粒可以在涡旋声场的作用下发生聚集。经过计算可以得出粒子释放从0.01s到1s的运动轨迹图。由于结果过多，下面选择性的给出了粒子0.01s时的轨迹图，如图7所示，粒子0.205s时的轨迹图，如图8所示，粒子0.625s时的轨迹图，如图9所示。以及粒子1s后的轨迹图，如图10所示。另外，由于涡旋声束携带轨道角动量，因而，置于水中的粒子可以在涡旋声场的作用下发生旋转，从而实现对粒子的旋转操控。通过改变激励信号的幅度，可以获得不同的转动力矩，从而实现对不同大小粒子的操控。同时，交换四个换能器激励信号的相位设置，可以改变粒子的转动方向。
本实施例的基于相位相差90°的四列声波形成的涡旋声束发生装置，使悬浮微粒实现旋转和在中心处聚集。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于：本实施例中采用f＝60kHZ，其波长对应于λ＝c/f，其中，c为水中的声速。同实施例一中图1所示，确定盛液槽1为边长为1/2倍波长的无盖正方体结构，由此，如图5所示，在对第一低频螺旋开槽换能器(右)进行激励时，激励信号为正弦波，信号的相位设置为0°。在对第三低频螺旋开槽换能器(下)进行激励时，激励信号为同频率的正弦波，信号的相位设置为90°。在对第二低频螺旋开槽换能器(左)进行激励时，激励信号为同频率的正弦波，信号的相位设置为180°在对第四低频螺旋开槽换能器(上)进行激励时，激励信号为同频率的正弦波，信号的相位设置为270°。在这四列声波在空间位置上相互正交，在相位上分别相差90°，形成了正交驻波。因而在盛液槽2里注入液体后，可以在盛液槽2中形成涡旋声束。在驻波的波节处，两侧声压方向相反。这些驻波节点之间间距为λ/2，辐射压力具有回复力的特性，可以将物体的位置维持在声压节点附近处，因而置于水中的微粒可以在涡旋声场的作用下发生聚集。经过计算可以得出粒子释放从0.01s到1s的运动轨迹图。由于结果过多，下面选择性的给出了粒子0.0s时的轨迹图，如图11所示，粒子0.205s时的轨迹图，如图12所示，粒子0.625s时的轨迹图，如图13所示。以及粒子1s后的轨迹图，如图14所示。。另外，由于涡旋声束携带轨道角动量，因而，置于水中的粒子可以在涡旋声场的作用下发生旋转，从而实现对粒子的旋转操控。通过改变激励信号的幅度，可以获得不同的转动力矩，从而实现对不同大小粒子的操控。同时，交换四个换能器激励信号的相位设置，可以改变粒子的转动方向。
实施例3本实施例与实施例1的不同之处在于：本实施例的盛液槽为透明玻璃制成的圆形槽，n＝2，即在盛液槽外壁上的2个低频螺旋开槽换能器，且2个低频螺旋开槽换能器对称分布在盛液槽的外壁上。当对第一个低频螺旋开槽换能器(右)进行激励时，激励信号为正弦波，信号的相位设置为0°。在对第二低频螺旋开槽换能器(左)进行激励时，激励信号为同频率的正弦波，信号的相位设置为180°。两列纵向声波在空间位置上相互叠加形成了驻波，这些驻波节点之间间距为λ/2，辐射压力具有回复力的特性，可以将物体的位置维持在声压节点附近处，因而置于水中的微粒可以在涡旋声场的作用下发生聚集，通过改变激励信号的相位差，改变微粒的转动方向。
Claims (9)
1.一种小型涡旋声束发生器，包括底座和固定在底座上的盛液槽，其特征在于：在盛液槽外设置有涡旋超声波发生装置，所述涡旋超声波发生装置包括激励信号源和设置在盛液槽外壁上的n个低频螺旋开槽换能器，n≥3,n个低频螺旋开槽换能器在盛液槽外壁上均匀分布且相邻的两个低频螺旋开槽换能器之间的相位差△θ＝360°/n，使各个低频螺旋开槽换能器产生的纵向声束在液体介质中形成相互叠加的涡旋声束。
2.根据权利要求1所述的小型涡旋声束发生器，其特征在于：所述低频螺旋开槽换能器包括依次设置的前盖板、压电陶瓷堆以及后盖板，所述压电陶瓷堆的正负极引线通过放大器与激励信号源的信号输出端连接；所述前盖板是在等径直管的侧壁上开设有至少2条可放大纵向振幅的螺旋通槽，使前盖板形成弹簧结构。
3.根据权利要求2所述的小型涡旋声束发生器，其特征在于：所述螺旋通槽的起点在等径直管的同一圆周上均匀分布。
4.根据权利要求3所述的小型涡旋声束发生器，其特征在于：所述螺旋通槽的螺旋升角为20°～60°，螺距与等径直管的长度比值为0.5～0.95。
5.根据权利要求2所述的小型涡旋声束发生器，其特征在于：所述前盖板的纵振动输出端通过辐射板与盛液槽外壁耦合接触。
6.根据权利要求1～5任一项所述的小型涡旋声束发生器，其特征在于：所述盛液槽为圆形槽或者正多边形槽，所述低频螺旋开槽换能器均匀分布在正多边形槽侧壁中心位置。
7.根据权利要求6所述的小型涡旋声束发生器，其特征在于：所述盛液槽为正多边形槽，且边数为偶数，相对设置的两个低频螺旋开槽换能器的水平距离为c/2的整数倍，c为声波速度。
8.一种利用权利要求1所述的小型涡旋声束发生器实现的涡旋声束粒子操控方法，其特征在于包括以下步骤：激励信号源按照相位差△θ＝360°/n的激励信号分别对固定在盛液槽外壁上的n个低频螺旋开槽换能器作用，使n个低频螺旋开槽换能器产生n条向盛液槽中心辐射且相位差为360°/n的纵向声束，n条纵向声束相互叠加在盛液槽中形成涡旋声束，涡旋声束携带轨道角动量，使盛液槽中的微粒在涡旋声束的作用下旋转和聚集；通过改变激励信号的幅度，改变微粒的转动力矩；通过改变激励信号的相位差，改变微粒的转动方向，从而实现不同大小粒子的操控。
9.根据权利要求8所述的涡旋声束粒子操控方法，其特征在于，所述n个低频螺旋开槽换能器是通过在等径直管的侧壁上开设有至少2条可放大纵向振幅的螺旋通槽，使前盖板形成弹簧结构，压电陶瓷堆受到激励后应变和应力叠加作用在前盖板上，使激励产生的纵向声束的振幅放大后向盛液槽的中心辐射，在盛液槽中形成涡旋声束。
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