[發(fā)明專利]一種利用換能器陣列產(chǎn)生渦旋聲場(chǎng)的方法及系統(tǒng)

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201911387970.0
• 申請(qǐng)日: 2019-12-30
• 公開（公告）號(hào): CN111069008A
• 公開（公告）日: 2020-04-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 洪振宇;張博文;魏炳波
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): B06B1/02
• 分類號(hào): B06B1/02;B06B3/00;H04R9/02
• 代理公司: 西北工業(yè)大學(xué)專利中心 61204
• 代理人: 王鮮凱

本發(fā)明涉及一種利用換能器陣列產(chǎn)生渦旋聲場(chǎng)的方法及系統(tǒng)，利用換能器陣列產(chǎn)生渦旋聲場(chǎng)的系統(tǒng)，多個(gè)電聲換能器面向空間同一點(diǎn)排列，所有電聲換能器工作在同一頻率，相鄰電聲換能器之間的相位差為2π的整數(shù)倍除以參與實(shí)驗(yàn)的電聲換能器個(gè)數(shù)。通過優(yōu)化電聲換能器的結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)渦旋聲場(chǎng)對(duì)物體的懸?。煌ㄟ^變換電聲換能器相位的方向，可實(shí)現(xiàn)對(duì)懸浮物體旋轉(zhuǎn)的控制。本發(fā)明提出的渦旋場(chǎng)聲懸浮方法，提供一種無(wú)污染、非接觸的聲懸浮技術(shù)，該技術(shù)可用于懸浮固體和液體，并且可主動(dòng)控制被懸浮物體的旋轉(zhuǎn)速度，能廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、物理化學(xué)、醫(yī)學(xué)生物等研究領(lǐng)域。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于聲懸浮方法，聲學(xué)領(lǐng)域，涉及一種利用換能器陣列產(chǎn)生渦旋聲場(chǎng)的方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

目前，懸浮物體的方法主要有：靜電懸浮、電磁懸浮、氣動(dòng)懸浮、聲懸浮等。其中聲懸浮方法是利用強(qiáng)聲場(chǎng)產(chǎn)生的聲輻射力將物體懸浮起來(lái)的技術(shù)。現(xiàn)在，聲懸浮技術(shù)主要有駐波聲懸浮技術(shù)和近場(chǎng)聲懸浮技術(shù)兩種。駐波聲懸浮系統(tǒng)由一對(duì)或多對(duì)聲發(fā)射和反射器件組成，信號(hào)發(fā)生器輸出的正弦信號(hào)經(jīng)功率放大器放大后驅(qū)動(dòng)電聲換能器工作，激發(fā)聲發(fā)射器件表面振動(dòng)，在聲發(fā)射和反射器件間形成駐波，物體(尺寸毫米級(jí)的固體或液體)可被懸浮在聲壓波節(jié)處。駐波聲懸浮的缺點(diǎn)是被懸浮液體或軟物質(zhì)在駐波場(chǎng)中易被壓成扁狀，這不利于聲懸浮技術(shù)的利用。近場(chǎng)聲懸浮只能懸浮固體而且聲發(fā)射面和固體表面的距離很近，為微米級(jí)，這不利于被懸浮物體的操控。另外，駐波聲懸浮和近場(chǎng)聲懸浮技術(shù)都不能控制被懸浮物體的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，被懸浮物體通常做隨機(jī)旋轉(zhuǎn)，這也不利于聲懸浮技術(shù)的應(yīng)用。

近幾年渦旋聲場(chǎng)產(chǎn)生技術(shù)有了較大發(fā)展，這使得利用渦旋聲場(chǎng)進(jìn)行物體的懸浮成為可能。在渦旋聲場(chǎng)中被懸浮物體可以是固體或液體，由于其上下表面受到的是聲輻射吸力而不是壓力，因此物體不會(huì)被壓成餅狀，這對(duì)很多科學(xué)研究是有利的，如測(cè)量液滴表面張力、觀察液滴動(dòng)力學(xué)行為等。另外，渦旋聲場(chǎng)攜帶的軌道角動(dòng)量可用來(lái)控制物體的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容

要解決的技術(shù)問題

為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種利用換能器陣列產(chǎn)生渦旋聲場(chǎng)的方法及系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，可實(shí)現(xiàn)物體的懸浮和旋轉(zhuǎn)控制。

技術(shù)方案

一種利用換能器陣列產(chǎn)生渦旋聲場(chǎng)的方法，其特征在于包括多個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的電聲換能器；多個(gè)電聲換能器面向中心的圓心均勻排列，以同一頻率的信號(hào)對(duì)多個(gè)電聲換能器進(jìn)行獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，相鄰電聲換能器之間的相位差為2π的整數(shù)倍除以參與實(shí)驗(yàn)的電聲換能器個(gè)數(shù)，在中心產(chǎn)生渦旋聲場(chǎng)。

所述獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的電聲換能器個(gè)數(shù)為3-8個(gè)。

所述每個(gè)電聲換能器發(fā)射端面為凹面。

一種實(shí)現(xiàn)所述利用換能器陣列產(chǎn)生渦旋聲場(chǎng)的方法的系統(tǒng)，其特征在于包括多個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的電聲換能器、信號(hào)發(fā)生器、功率放大器和信號(hào)控制終端；信號(hào)控制終端控制相鄰電聲換能器間的相位延遲和方向，信號(hào)發(fā)生器輸出的信號(hào)經(jīng)功率放大器放大后，驅(qū)動(dòng)電聲換能器工作，以使每個(gè)電聲換能器產(chǎn)生與設(shè)定頻率一致的高頻振動(dòng)，最后電聲換能器的發(fā)射端以超聲波的方式向氣體媒質(zhì)中輻射，疊加形成渦旋聲場(chǎng)。

有益效果

本發(fā)明提出的一種利用換能器陣列產(chǎn)生渦旋聲場(chǎng)的方法及系統(tǒng)，利用換能器陣列產(chǎn)生渦旋聲場(chǎng)的系統(tǒng)，多個(gè)電聲換能器面向空間同一點(diǎn)排列，所有電聲換能器工作在同一頻率，相鄰電聲換能器之間的相位差為2π的整數(shù)倍除以參與實(shí)驗(yàn)的電聲換能器個(gè)數(shù)。通過優(yōu)化電聲換能器的結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)渦旋聲場(chǎng)對(duì)物體的懸?。煌ㄟ^變換電聲換能器相位的方向，可實(shí)現(xiàn)對(duì)懸浮物體旋轉(zhuǎn)的控制。

本發(fā)明提出的渦旋場(chǎng)聲懸浮方法，提供一種無(wú)污染、非接觸的聲懸浮技術(shù)，該技術(shù)可用于懸浮固體和液體，并且可主動(dòng)控制被懸浮物體的旋轉(zhuǎn)速度，能廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、物理化學(xué)、醫(yī)學(xué)生物等研究領(lǐng)域。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的裝置系統(tǒng)示意圖