CN110272089A - 一种小型涡旋声束发生器及粒子旋转和聚集系统 - Google Patents

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韦思静
张梦
王英俊
黄小涵
胡子函
代圣
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Abstract

本发明属于超声粒子操控的设备技术领域，具体涉及一种小型涡旋声束发生器和粒子旋转和聚集系统，包括底座、水槽、压电陶瓷超声换能器片；底座上垂直连接有可调节支架一端，可调节支架的另一端固定连接于所述水槽的底部四角，压电陶瓷超声换能器片通过耦合剂粘合于所述水槽底部的外壁上，压电陶瓷超声换能器片的一侧分别连接正极引线一端，另一侧分别连接负极引线的一端，正极引线与负极引线的另一端连接有超声波发生装置，本装置的高操控性有效的实现了对于不同大小粒子的操控，并便于对粒子的搬移。

Description

一种小型涡旋声束发生器及粒子旋转和聚集系统
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其粒子旋转和聚集装系统。
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
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种小型涡旋声束发生器及粒子旋转和聚集系统。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种小型涡旋声束发生器及粒子旋转和聚集系统，其特征在于，包括底座、水槽、压电陶瓷超声换能器片；所述底座上垂直连接有可调节支架一端，所述可调节支架的另一端固定连接于所述水槽的底部四角，所述四个压电陶瓷超声换能器片通过耦合剂粘合于所述水槽底部的外壁上，所述四个压电陶瓷超声换能器片的一侧分别连接正极引线一端，另一侧分别连接负极引线的一端，所述正极引线与负极引线的另一端连接有超声波发生装置。
进一步的，所述超声波发生装置由信号发生器、变相器和功率放大器组成；信号发生器可以产生正弦激励信号，信号经过变相器，使相位分别为0°，90°，180°，270°，并通过功率放大器将正弦激励信号发送至所述四个压电陶瓷超声换能器片。
进一步的，所述水槽和底座均采用有机玻璃材料制成。
进一步的，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。
进一步的，当通过变相器改变四个压电陶瓷换能器激励信号的相位时，可以改变粒子的转动方向。
进一步的，所述四个超声波换能器片应设置在相同的高度，以产生稳定的旋涡声束。
进一步的，每相邻的两个压电陶瓷超声波换能器片之间的距离相同。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1.采用压电陶瓷超声换能器片，可以在水中产生一定能量的超声波，易于对不同大小粒子的操控。
2.采用四个超声波换能器片产生四束方向不同的超声波，但是相邻两束超声波的相位相差90°，不相邻两束超声波的方向相反；四束超声波在水槽中相互叠加形成涡旋声束，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。
3.采用有机玻璃做容器，可以减少超声波在容器壁上的损失，而且这种材质价格便宜，制作方便，并便于实验观察。
4.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。
附图说明
图1是小型涡旋声束发生器的装置及粒子旋转和聚集系统的结构示意图。
图2是小型涡旋声束发生器的装置及粒子旋转和聚集系统的电路原理示意图。
图3是小型涡旋声束发生器的装置及粒子旋转和聚集系统的压电陶瓷超声换能器片示意图。
图4是四个相位不同激励下，声涡旋仿真声压级图像。
图5是四个相位不同激励下，三个平行切面的声压幅值图像。
图6是四个相位不同激励下，中心切面的声压相位图像。
图7是四个相位不同激励下，0.0s时压力声场中的粒子分布图。
图8是四个相位不同激励下，0.025s时压力声场中的粒子分布图。
图9是四个相位不同激励下，0.05s时压力声场中的粒子分布图。
图10是四个相位不同激励下，0.1s时压力声场中的粒子分布图。
图11是四个相位不同激励下，0.3s时压力声场中的粒子分布图。
图中：1、水槽；2、底座；3、可调节支架；4、压电陶瓷超声换能器片；5、压电陶瓷超声换能器片；6、压电陶瓷超声换能器片；7压电陶瓷超声换能器片。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“上”、“下”、“内”、“外”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，一种小型涡旋声束发生器及粒子旋转和聚集系统，包括底座2、水槽1和四个压电陶瓷超声换能器片；底座2上垂直连接有可调节支架3的一端，可调节支架3的另一端固定连接于水槽1的底部四角，四个压电陶瓷超声换能器片通过耦合剂粘合于水槽底部的外壁上，如图3所示，四个压电陶瓷超声换能器片的一侧分别连接正极引线401一端，另一侧分别连接负极引线402的一端，正极引线401与负极引线402的另一端连接有超声波发生装置。
超声波发生装置由信号发生器、变相器和功率放大器组成；信号发生器可以产生正弦激励信号，信号经过变相器，使相位分别为0°，90°，180°， 270°，并通过功率放大器将正弦激励信号发送至四个压电陶瓷超声换能器片。
相邻位置的压电陶瓷超声波换能器片产生的超声波的相位差为90°，以使四路超声波在水槽中产生涡旋声束。
水槽1和底座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。
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。
当通过变相器改变四个压电陶瓷换能器激励信号的相位时，可以改变粒子的转动方向。
四个超声波换能器片应设置在相同的高度，以产生稳定的旋涡声束。
每相邻的两个压电陶瓷超声波换能器片之间的距离相同。
本发明利用压电陶瓷超声换能器片把电信号转换为机械振动，机械振动向介质中传播产生一定功率的超声波，实验所用换能器片振动频率为 f＝20～80kHz，其波长对应于λ＝c/f，其中，c为水中的声速；即确定水槽1 为长和宽均为1倍波长，高度为1/4倍波长的无盖长方体结构；并且，利用耦合剂使四片压电陶瓷超声换能器片与水槽底部的外壁紧密粘合，以保证声波能量可以高功率并且垂直的传入水槽中；声涡旋是由频率相同，振幅相同，振动方向相同而相位相差90°的四列超声波相互叠加形成；物体在涡旋声场中可以实现悬浮、旋转和聚集。
由此，如图2所示信号发生器在对压电陶瓷超声波换能器片4进行激励时，激励信号为正弦波，信号的相位设置为0°；在对压电陶瓷超声波换能器片6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°；在对压电陶瓷超声波换能器片7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°在对压电陶瓷超声波换能器片5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，压电陶瓷超声波换能器片4和压电陶瓷超声波换能器片7的这两列激励信号，频率相同，振幅相同，相位相反，同理，压电陶瓷超声波换能器片6和压电陶瓷超声波换能器片5的两列激励信号，频率相同，振幅相同，相位相反，四列波相互叠加，在水槽中形成声学涡旋束。
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所示，是声涡旋的声压级图像；如图5所示，是三个平行切面的声压幅值图像；如图6所示，是中心切面的声压相位图像。
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0.00s到0.3s的运动轨迹图；下面给出了粒子0.0s时的轨迹图，如图7所示，粒子0.025s时的轨迹图，如图8所示，粒子0.05s时的轨迹图，如图9所示；粒子0.1s时的轨迹图，如图10所示；以及粒子0.3s 时的轨迹图，如图11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。
本装置有效的实现了对于粒子的高操控性，便于操控不同大小的粒子的聚集和旋转。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种小型涡旋声束发生器及粒子旋转和聚集系统，其特征在于：包括底座(2)、水槽(1)和四个压电陶瓷超声换能器片；所述底座(2)上垂直连接有可调节支架(3)一端，所述可调节支架(3)的另一端固定连接于所述水槽(1)的底部四角，所述四个压电陶瓷超声换能器片通过耦合剂粘合于所述水槽底部的外壁上，所述四个压电陶瓷超声换能器片的一侧分别连接正极引线(401)一端，另一侧分别连接负极引线(402)的一端，所述正极引线(401)与负极引线(402)的另一端连接有超声波发生装置。
2.根据权利要求1所述的一种小型涡旋声束发生器及粒子旋转和聚集系统，其特征在于：所述超声波发生装置由信号发生器、变相器和功率放大器组成；信号发生器可以产生正弦激励信号，信号经过变相器，使相位分别为0°，90°，180°，270°，并通过功率放大器将正弦激励信号发送至所述四个压电陶瓷超声换能器片。
3.根据权利要求1所述的一种小型涡旋声束发生器及粒子旋转和聚集系统，其特征在于：所述水槽(1)和底座(2)均采用有机玻璃材料制成。
4.根据权利要求2所述的一种小型涡旋声束发生器及粒子旋转和聚集系统，其特征在于：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。
5.根据权利要求2所述的一种小型涡旋声束发生器及粒子旋转和聚集系统，其特征在于：当通过变相器改变四个压电陶瓷换能器激励信号的相位时，可以改变粒子的转动方向。
6.根据权利要求1所述的一种小型涡旋声束发生器及粒子旋转和聚集系统，其特征在于：所述四个超声波换能器片应设置在相同的高度，以产生稳定的旋涡声束。
7.根据权利要求1所述的一种小型涡旋声束发生器及粒子旋转和聚集系统，其特征在于：每相邻的两个压电陶瓷超声波换能器片之间的距离相同。
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