[發明專利]一種懸浮聲場中聲輻射力的測定方法和裝置

在審

• 申請號: 202110432770.3
• 申請日: 2021-04-21
• 公開（公告）號: CN113188652A
• 公開（公告）日: 2021-07-30
• 發明（設計）人: 閆娜;耿德路;魏炳波
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G01H17/00
• 分類號: G01H17/00
• 代理公司: 北京知元同創知識產權代理事務所(普通合伙) 11535
• 代理人: 梁田;聶稻波

本發明公開了一種懸浮聲場中聲輻射力的測量方法和裝置，包括：精密升降臺，可在Z軸方向上豎直上下移動；二維移動平臺，設置在精密升降臺上表面，可在X和Y軸方向上左右前后移動；天平，放置在二維移動平臺上表面，天平上面放有天平托盤；剛性細桿，一端與天平托盤連接，另一端連接待測物體且懸空。該簡易測量裝置通過精密升降臺和二維移動平臺聯合操作，不僅可測量物體在聲場分布三維空間的聲輻射力，還可實現全聲場中聲輻射力測試位置的改變和靈活移動，從而可以測定全聲場中不同位置處的聲輻射力，適用于單軸和三軸式聲懸浮、近場聲懸浮等聲輻射力測量，方法靈活、簡易且可操作性強，有望在機械工程、材料科學和生物化學等方面實現重要應用。

技術領域

本發明屬于超聲懸浮設備技術領域，具體而言，涉及一種懸浮聲場中聲輻射力的測量方法和裝置。

背景技術

隨著科學技術的不斷發展，非接觸操控技術的需求越來越迫切，其應用領域也越來越廣泛。非接觸操控技術涉及磁懸浮、光懸浮、靜電懸浮、氣動懸浮、聲懸浮等。聲懸浮相比其他懸浮技術而言，具有結構簡單，裝置小巧等特點，且對被懸浮物體材料的物理性質和外部環境無特殊要求，具有較好的懸浮能力和靈活的操控性。

聲懸浮包含駐波懸浮和近場懸浮等，相關技術可靈活應用于高精密電子元器件如芯片等的無損操控，還可用于生物、醫學和藥物領域，如細胞培養，蛋白質結晶和藥物釋放等需要潔凈環境的高精密操作過程。實現懸浮的物理本質是物體在聲場中受到了可以平衡重力的聲輻射力，從而實現無接觸的懸浮狀態。為了更加精準的設計聲波懸浮的效果，利用聲波實現無接觸操控技術，更加有效地將聲波懸浮技術應用于工業生產和國民行業中，需要對聲輻射力大小和分布規律進行準確了解。

由于聲輻射力是聲輻射壓在物體表面的積分，其大小與物體的形狀密切相關。現有技術中一般是通過理論模型直接預測聲輻射力的大小或者通過微型麥克風測量聲場聲壓的分布并在此基礎上進行計算得到聲輻射力，因此目前這種研究方法是以理論建模為主，缺少有效的實驗測量技術，并且理論模型的合理性還需要實驗數據的驗證，因此需要出現一種簡單有效的實驗測量方法。

發明內容

本發明旨在提供一種懸浮聲場中聲輻射力的測量方法和裝置，可以實現被測物體在聲場分布空間的聲輻射力測量，且可以實現全聲場中聲輻射力測試位置的靈活移動。

為了實現上述目的，根據本發明的一個方面，提供了一種懸浮聲場中聲輻射力的測量裝置，包括：精密升降臺，可在z軸方向上豎直上下移動；二維移動平臺，設置在精密升降臺上表面，可在x和y軸方向上前后左右移動；天平，放置在二維移動平臺上表面，所述天平上面放有天平托盤；剛性細桿，一端與天平托盤連接，另一端連接待測物體且懸空。

根據本發明，測量裝置的一側或兩側還設置有超聲波發射裝置，以實現單束超聲波或多束超聲波疊加所形成的復雜聲場中聲輻射力分布情況的測量。

根據本發明，所述剛性細桿的一端粘結在天平托盤上。

根據本發明，所述剛性細桿的長度需要滿足測量空間和位置要求，橫截面直徑應盡量小，以不影響聲場的分布規律為宜。

根據本發明的另一方面，還提供了一種利用懸浮聲場中聲輻射力的測量裝置進行測量的方法，包括以下步驟：

S1、將待測物體固定在剛性細桿的一端且懸空設置，將剛性細桿的另一端固定在天平托盤上；

S2、打開位于測量裝置一側或兩側的超聲波發射裝置，使得待測物體位于聲場空間中；

S3、由天平讀出聲輻射力的等效質量M，根據聲輻射力F＝重力G＝M*g，得到聲輻射力F的測量結果，g為重力加速度；

S4、調節二維移動平臺在X和Y方向的位置以及精密升降臺在Z方向的位置，實現三維聲場全空間位置的聲輻射力測量，得到聲輻射力數據和分布規律。

根據本發明，所述待測物體為球形、餅形或者不規則固態物體形狀。