[發(fā)明專(zhuān)利]聲泳系統(tǒng)及其操作方法、控制聲換能器及聲學(xué)系統(tǒng)的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201880080376.4
• 申請(qǐng)日: 2018-12-14
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111480345B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-04-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: B·利普肯斯;R·穆夏克;J·阿蒂斯
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 弗洛設(shè)計(jì)聲能學(xué)公司
• 主分類(lèi)號(hào): H04R3/04
• 分類(lèi)號(hào): H04R3/04;H04R1/24;H04R17/00
• 代理公司: 永新專(zhuān)利商標(biāo)代理有限公司 72002
• 代理人: 劉文燦

控制和驅(qū)動(dòng)聲泳系統(tǒng)以達(dá)到期望的性能水平。RF控制器和驅(qū)動(dòng)器向聲換能器提供頻率和功率，該聲換能器可以被實(shí)現(xiàn)為呈現(xiàn)無(wú)功負(fù)載或復(fù)合負(fù)載的壓電元件。控制器實(shí)現(xiàn)用于高效換能器操作的控制技術(shù)。該控制技術(shù)可以定位用于操作的頻率，該頻率在系統(tǒng)的電抗最小值或最大值處，以產(chǎn)生模態(tài)模式并提供換能器的高效操作。一種檢測(cè)聲泳系統(tǒng)中最小或最大電抗并利用檢測(cè)到的電抗的頻率來(lái)操作聲泳系統(tǒng)的方法，該聲泳系統(tǒng)用于捕獲、分離、偏轉(zhuǎn)、簇集、分餾或以其他方式處理初級(jí)流體中的粒子或二次流體或三次流體。

背景技術(shù)

聲泳是使用聲學(xué)來(lái)執(zhí)行材料分離。例如，可以使用聲駐波來(lái)將粒子和二次流體(secondary fluid)與初級(jí)或主體流體(primary or host fluid)分離。當(dāng)密度和/或可壓縮性存在差異(也稱(chēng)為聲學(xué)對(duì)比因子)時(shí)，聲駐波可以對(duì)流體中的粒子施加力。駐波中的壓力分布(pressure profile)包含駐波波節(jié)處的局部最小壓力幅度區(qū)域和駐波波腹處的局部最大值區(qū)域。取決于它們的密度和可壓縮性，粒子可以被捕獲在駐波的波節(jié)或波腹處。通常，駐波頻率越高，可以捕獲的粒子越小。

在微觀尺度上，例如結(jié)構(gòu)尺寸在微米量級(jí)的情況下，常規(guī)的聲泳系統(tǒng)往往使用半波長(zhǎng)或四分之一波長(zhǎng)的聲室(acoustic chamber)，其在幾兆赫茲的頻率下通常厚度小于一毫米，并且以非常慢的流速(例如，μL/min)工作。這樣的系統(tǒng)是不可擴(kuò)展的，這是因?yàn)樗鼈兊靡嬗跇O低的雷諾數(shù)、層流操作和最小的流體動(dòng)力學(xué)優(yōu)化。

在宏觀尺度上，平面聲駐波已用于分離過(guò)程中。然而，單個(gè)平面波往往捕獲粒子或二次流體，使得通過(guò)關(guān)閉或去除平面駐波來(lái)實(shí)現(xiàn)與初級(jí)流體的分離。去除平面駐波可能阻礙連續(xù)操作。而且，用于生成聲平面駐波的功率量往往通過(guò)廢能加熱初級(jí)流體，這對(duì)于正被處理的材料可能是不利的。

發(fā)明內(nèi)容

可以包括振蕩器和放大器的電源可以用來(lái)微擾可以用于生成聲波的壓電材料。當(dāng)反射器與壓電材料結(jié)合使用時(shí)，生成的聲波可以被反射回壓電材料以形成聲駐波。聲駐波由波節(jié)和波腹組成，這些波節(jié)和波腹允許在其中生成聲駐波的介質(zhì)中的壓差。

壓電材料的微擾和聲駐波中對(duì)反射波的反應(yīng)的微調(diào)可以提高聲駐波中波節(jié)和波腹的利用率。聲駐波可用于處理初級(jí)流體中的材料和流體。

提供了一種能夠響應(yīng)聲駐波的屬性的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)可以調(diào)整聲駐波，以實(shí)現(xiàn)對(duì)初級(jí)流體內(nèi)的粒子和二次流體的捕獲、分離、偏析 (segregation)、表征、偏轉(zhuǎn)和分類(lèi)以及其他過(guò)程。使用控制系統(tǒng)應(yīng)用聲泳的結(jié)果可用于細(xì)胞和基因療法以及澄清(clarification)技術(shù)。可用的應(yīng)用很多，并且可以用于包括能源(石油、天然氣、生物燃料)、生物制藥(例如，治療劑的制造)、食品工業(yè)、生物農(nóng)業(yè)等的領(lǐng)域，僅舉幾例。

在一個(gè)示例實(shí)施方式中，根據(jù)控制方案來(lái)操作電子控制器，以驅(qū)動(dòng)電子器件，該電子器件以在壓電材料與反射器之間形成聲駐波的方式來(lái)微擾壓電材料。可以通過(guò)使用微擾次級(jí)材料的單一壓電材料來(lái)形成聲駐波，使得其在次級(jí)材料內(nèi)以及在該次級(jí)材料內(nèi)的任何通道內(nèi)形成聲駐波。

可以利用聲駐波來(lái)捕獲、偏轉(zhuǎn)、分離和/或偏析初級(jí)流體中的粒子和/ 或二次流體。通常，將聲駐波設(shè)置為允許捕獲特定粒子或二次流體的特定頻率。當(dāng)聲駐波捕獲粒子和/或二次流體時(shí)，聲駐波的物理特性發(fā)生變化，并且用于驅(qū)動(dòng)壓電材料的控件被操作以補(bǔ)償這些變化。對(duì)例如2MHz的頻率下的聲駐波內(nèi)的變化的補(bǔ)償使用對(duì)聲駐波的物理屬性的快速、及時(shí)的反饋(如壓電材料所見(jiàn)的)，使得控制系統(tǒng)對(duì)聲駐波的變化做出響應(yīng)。反饋的速度可以足以減少或消除響應(yīng)于聲駐波內(nèi)發(fā)生的物理變化的響應(yīng)的混疊。該反饋和整體閉環(huán)速度避免了針對(duì)聲駐波中正發(fā)生的物理變化的補(bǔ)償接收不正確的反饋。

在使用聲駐波的情況下的材料分離是稱(chēng)為聲泳的過(guò)程。調(diào)整聲駐波以改善或優(yōu)化初級(jí)流體中的粒子或二次流體或三次流體(tertiary fluid)的分離有助于提高聲泳過(guò)程的效率和/或減少或最小化輸入到聲駐波系統(tǒng)中的能量。