CN111069008A - 一种利用换能器阵列产生涡旋声场的方法及系统 - Google Patents

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洪振宇
张博文
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Abstract

本发明涉及一种利用换能器阵列产生涡旋声场的方法及系统，利用换能器阵列产生涡旋声场的系统，多个电声换能器面向空间同一点排列，所有电声换能器工作在同一频率，相邻电声换能器之间的相位差为2π的整数倍除以参与实验的电声换能器个数。通过优化电声换能器的结构，可实现涡旋声场对物体的悬浮；通过变换电声换能器相位的方向，可实现对悬浮物体旋转的控制。本发明提出的涡旋场声悬浮方法，提供一种无污染、非接触的声悬浮技术，该技术可用于悬浮固体和液体，并且可主动控制被悬浮物体的旋转速度，能广泛应用于材料科学、物理化学、医学生物等研究领域。

Description

一种利用换能器阵列产生涡旋声场的方法及系统
技术领域
本发明属于声悬浮方法，声学领域，涉及一种利用换能器阵列产生涡旋声场的方法及系统。
背景技术
目前，悬浮物体的方法主要有：静电悬浮、电磁悬浮、气动悬浮、声悬浮等。其中声悬浮方法是利用强声场产生的声辐射力将物体悬浮起来的技术。现在，声悬浮技术主要有驻波声悬浮技术和近场声悬浮技术两种。驻波声悬浮系统由一对或多对声发射和反射器件组成，信号发生器输出的正弦信号经功率放大器放大后驱动电声换能器工作，激发声发射器件表面振动，在声发射和反射器件间形成驻波，物体(尺寸毫米级的固体或液体)可被悬浮在声压波节处。驻波声悬浮的缺点是被悬浮液体或软物质在驻波场中易被压成扁状，这不利于声悬浮技术的利用。近场声悬浮只能悬浮固体而且声发射面和固体表面的距离很近，为微米级，这不利于被悬浮物体的操控。另外，驻波声悬浮和近场声悬浮技术都不能控制被悬浮物体的旋转状态，被悬浮物体通常做随机旋转，这也不利于声悬浮技术的应用。
近几年涡旋声场产生技术有了较大发展，这使得利用涡旋声场进行物体的悬浮成为可能。在涡旋声场中被悬浮物体可以是固体或液体，由于其上下表面受到的是声辐射吸力而不是压力，因此物体不会被压成饼状，这对很多科学研究是有利的，如测量液滴表面张力、观察液滴动力学行为等。另外，涡旋声场携带的轨道角动量可用来控制物体的旋转状态。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种利用换能器阵列产生涡旋声场的方法及系统，在该系统中，可实现物体的悬浮和旋转控制。
技术方案
一种利用换能器阵列产生涡旋声场的方法，其特征在于包括多个独立驱动的电声换能器；多个电声换能器面向中心的圆心均匀排列，以同一频率的信号对多个电声换能器进行独立驱动，相邻电声换能器之间的相位差为2π的整数倍除以参与实验的电声换能器个数，在中心产生涡旋声场。
所述独立驱动的电声换能器个数为3-8个。
所述每个电声换能器发射端面为凹面。
一种实现所述利用换能器阵列产生涡旋声场的方法的系统，其特征在于包括多个独立驱动的电声换能器、信号发生器、功率放大器和信号控制终端；信号控制终端控制相邻电声换能器间的相位延迟和方向，信号发生器输出的信号经功率放大器放大后，驱动电声换能器工作，以使每个电声换能器产生与设定频率一致的高频振动，最后电声换能器的发射端以超声波的方式向气体媒质中辐射，叠加形成涡旋声场。
有益效果
本发明提出的一种利用换能器阵列产生涡旋声场的方法及系统，利用换能器阵列产生涡旋声场的系统，多个电声换能器面向空间同一点排列，所有电声换能器工作在同一频率，相邻电声换能器之间的相位差为2π的整数倍除以参与实验的电声换能器个数。通过优化电声换能器的结构，可实现涡旋声场对物体的悬浮；通过变换电声换能器相位的方向，可实现对悬浮物体旋转的控制。
本发明提出的涡旋场声悬浮方法，提供一种无污染、非接触的声悬浮技术，该技术可用于悬浮固体和液体，并且可主动控制被悬浮物体的旋转速度，能广泛应用于材料科学、物理化学、医学生物等研究领域。
附图说明
图1为本发明的装置系统示意图
图2为本发明的一个具体实施例
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
图1为本发明的装置系统示意图，包括信号控制终端、信号发生器、功率放大器以及由多个电声换能器组成的声学阵列四部分。信号控制终端控制相邻电声换能器间的相位延迟和方向。信号发生器输出的信号经功率放大器放大后，驱动电声换能器工作，以使每个电声换能器产生与设定频率一致的高频振动，最后电声换能器的发射端以超声波的方式向气体媒质中辐射，叠加形成涡旋声场。气体媒质可选为空气、氮气、氩气、二氧化碳等。
本发明的装置系统中，电声换能器的个数为3个以上，其面向空间同一轴旋转对称排列或不完全对称排列。
具体实施例：该涡旋场声悬浮装置由四个电声换能器(1-4)构成的声学阵列和一个圆柱环支架5构成，电声换能器穿过环形支架围成一圈，如图2所示。声发射端面指向空间同一点并绕同一轴旋转对称排列。
电声换能器的材质为不锈钢，可选的还可为45钢、钛合金材质等。
实验时使四个电声换能器工作在同一频率，通过信号控制终端，令电声换能器相位按顺时针或逆时针方向依次变化，相邻换能器之间的相位差为2π的整数倍除以4，每个电声换能器前端面的加速度振幅分别为A*2πf*exp(i*2π(n-1)/n)，其中A为电声换能器前端面振幅，f为工作频率，n为电声换能器个数。
完成后启动该装置系统，使电声换能器阵列工作，可在其声发射端面所围成的区域内产生涡旋声场。涡旋声场的中心区域声场强度较弱，形成势阱，可悬浮微米级的固体和液体。
调整电声换能器阵列的输出功率，使声压级超过一定阈值，则涡旋声场可将被悬浮物约束在中心的势阱中，声压级越大，可悬浮物体密度越大。
调整电声换能器阵列输出信号方向可控制悬浮物体的旋转速度。

Claims (4)

1.一种利用换能器阵列产生涡旋声场的方法，其特征在于包括多个独立驱动的电声换能器；多个电声换能器面向中心的圆心均匀排列，以同一频率的信号对多个电声换能器进行独立驱动，相邻电声换能器之间的相位差为2π的整数倍除以参与实验的电声换能器个数，在中心产生涡旋声场。
2.根据权利要求1所述利用换能器阵列产生涡旋声场的方法，其特征在于：所述独立驱动的电声换能器个数为3-8个。
3.根据权利要求1所述利用换能器阵列产生涡旋声场的方法，其特征在于：所述每个电声换能器发射端面为凹面。
4.一种实现权利要求1或2或3所述利用换能器阵列产生涡旋声场的方法的系统，其特征在于包括多个独立驱动的电声换能器、信号发生器、功率放大器和信号控制终端；信号控制终端控制相邻电声换能器间的相位延迟和方向，信号发生器输出的信号经功率放大器放大后，驱动电声换能器工作，以使每个电声换能器产生与设定频率一致的高频振动，最后电声换能器的发射端以超声波的方式向气体媒质中辐射，叠加形成涡旋声场。
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