磁懸浮技術(shù)耳熟能詳，那神奇的聲懸浮技術(shù)您了解多少？

2016-10-26 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

通常來說,磁懸浮技術(shù)是被很多人所熟知的。畢竟,世界上已經(jīng)有不少城市都開通了磁懸浮列車專線。這種技術(shù)所能夠帶來的好處想必很多人都已經(jīng)非常清楚了。在懸浮的情況下,摩擦力會(huì)被大大的降低,從而可以使車輛的速度得到質(zhì)的提升,真正意義上做到“距離不是問題?！?

然而很多人可能都不知道,其實(shí)在除了磁懸浮之外,還有一種聲懸浮的技術(shù)。近期,國(guó)外的一位大神就為我們實(shí)力展示了這項(xiàng)技術(shù)。他將兩個(gè)揚(yáng)聲器一上一下相對(duì)放置并精確對(duì)準(zhǔn),從而實(shí)現(xiàn)聲懸浮。從動(dòng)圖中我們可以清楚的看出,三個(gè)小球連成一條直線在空中漂浮。

其實(shí),有關(guān)這項(xiàng)技術(shù),最早可以追溯到 1866 年。當(dāng)時(shí)德國(guó)的科學(xué)家孔特(Kundt)首先發(fā)現(xiàn)了諧振管中的聲波可以懸浮起灰塵顆粒的試驗(yàn)現(xiàn)象。而與磁懸浮技術(shù)相比,這項(xiàng)技術(shù)擁有不受導(dǎo)電材料限制,且懸浮和加熱可分別控制,因此懸浮效果較為穩(wěn)定,也容易控制的特點(diǎn)。

聲懸浮是高聲強(qiáng)條件下的一種非線性效應(yīng),其基本原理是利用聲駐波與物體的相互作用產(chǎn)生豎直方向的懸浮力以克服物體的重量。近年來,這項(xiàng)技術(shù)多被用于一些自然科學(xué)研究當(dāng)中。下面我們來簡(jiǎn)單介紹一下這項(xiàng)技術(shù):

1、聲懸浮技術(shù)的原理和裝置

聲或超聲懸浮:在重力或微重力空間利用強(qiáng)駐波聲場(chǎng)中的輻射壓力與懸浮體重力相平衡,而使其穩(wěn)定懸浮在聲場(chǎng)中的技術(shù)。

聲懸浮技術(shù)的原理和裝置

圖1 聲懸浮裝置聲反射面懸浮物

圖1是單軸聲懸浮的原理圖。活塞聲源裝在長(zhǎng)圓管的下部,在活塞輻射面的對(duì)面設(shè)有反射器,在其間建立駐波聲場(chǎng)。輻射面與反射面相距為半波長(zhǎng)的整數(shù)倍。當(dāng)聲場(chǎng)中的輻射壓力與物體的重力相平衡時(shí),物體即懸浮在空間。

這種單軸聲懸浮裝置,如果是理想的平面駐波聲場(chǎng),則在聲壓最小平面內(nèi)的任一位置都能穩(wěn)定懸浮。但實(shí)際上輻射面的振動(dòng)不可能完全均勻,聲壓最小平面也不是無限大,因此聲壓最小平面上的聲壓分布是不均勻的,有峰點(diǎn)和谷點(diǎn),物體被穩(wěn)定地懸浮在谷點(diǎn)上。如果改變反射器的距離惑聲源的頻率,則可以實(shí)現(xiàn)懸浮體在空間的移動(dòng)。這種裝置適于空氣中應(yīng)用。

圖2 液體介質(zhì)聲懸浮裝置

另一種適用于液體介質(zhì)中應(yīng)用的聲懸浮裝置如圖2所示。用一根外徑3cm,長(zhǎng)25cm的玻璃管,一端開口,一端裝有帶“O”形密封圈的可移動(dòng)活塞。管內(nèi)裝有某種與待測(cè)液體不相溶的液體介質(zhì),借助于活塞的移動(dòng)來調(diào)節(jié)管內(nèi)液面的高度。圓管形壓電換能器(外徑3.81cm,高3.81cm,厚0.32cm)用膠粘在玻璃管的外側(cè)。另外,裝有液滴注入系統(tǒng)和位置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

當(dāng)換能器被超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的電信號(hào)激勵(lì)時(shí),調(diào)節(jié)液面高度或超聲振動(dòng)頻率可使換能器、玻璃管及液柱系統(tǒng)發(fā)生共振,這時(shí)在液柱中即可產(chǎn)生強(qiáng)烈的聲駐波。此時(shí)將被測(cè)液滴注入,該液滴便懸浮于一定位置。通過移動(dòng)活塞或改變超聲振動(dòng)頻率均可以改變液滴懸浮的位置。

為靈活的控制物體的懸浮位置,發(fā)展了一種三軸聲懸浮裝置。在一個(gè)六面長(zhǎng)方體腔中,有三面布置三個(gè)聲源,其激勵(lì)可以獨(dú)立調(diào)節(jié),因而能靈活控制物體在空間某一位置的穩(wěn)定懸浮。如果對(duì)某一聲軸的聲壓加以調(diào)制,則可以實(shí)現(xiàn)懸浮液滴的振蕩,也可以實(shí)現(xiàn)懸浮體的聲致旋轉(zhuǎn)。此外,為實(shí)現(xiàn)對(duì)懸浮體的處理,還發(fā)展了高溫聲懸浮裝置。

2、聲懸浮技術(shù)的特點(diǎn)

可以懸浮任何材料,包括磁性和非磁性體,導(dǎo)體和絕緣體;
定位方便、穩(wěn)定,不容易失控;
可以方便地實(shí)現(xiàn)樣品的輸送,如從高溫區(qū)輸送到低溫區(qū);
能使樣品旋轉(zhuǎn)、振動(dòng)和變形,有利于樣品保持球形、脫氣、表面涂敷和材料的分選;
利用空化效應(yīng),可以使材料混合粉碎和霧化等等。

3、聲懸浮技術(shù)的應(yīng)用

(1) 流體力學(xué)方面的研究

無容器技術(shù)為流體力學(xué)的研究提供了很好的環(huán)境,如液滴的自由振蕩與受迫振蕩,泡壁的自由振蕩與受迫振蕩,聲場(chǎng)壓力及液體粘滯對(duì)液滴振蕩特性的影響,用無容器技術(shù)進(jìn)行研究都得到很有用的結(jié)果。在太空中用聲懸浮技術(shù)使液滴振蕩能提高滴的球度和殼的均勻度,對(duì)于聚變靶的制造有重要意義?？梢杂脕頊y(cè)量表面張力,特別是對(duì)不允許有容器接觸的過冷、過熱液體的研究是很有用的。

(2) 液體和熔融材料物理性質(zhì)的測(cè)量

有些材料的性質(zhì)不能在容器中測(cè)量,如過冷和過熱液體、過飽和溶液、高純度或高活性物質(zhì)等,其表面張力、粘滯性等在無容器條件下測(cè)量是合適的。

(3) 無容器條件下對(duì)材料的處理和研究

無容器處理材料避免了器壁對(duì)材料的污染,能夠制備高純度、高活性和高熔點(diǎn)的材料;許多材料的結(jié)晶過程在無容器環(huán)境下進(jìn)行可以避免器壁與材料接觸而導(dǎo)致大量非均勻成核。

無容器技術(shù)可用于生長(zhǎng)某些高質(zhì)量的單晶,或制備極易偏析的合金;另一方面,完全無序的非晶態(tài)具有許多晶態(tài)材料沒有的優(yōu)異性質(zhì),因此人們?cè)絹碓蕉嗟卦诨衔锘蚝辖鹬袑で蟛ＡB(tài)。但許多物質(zhì),尤其是金屬,在熔融狀態(tài)下粘滯度很小,器壁的非均勻成核導(dǎo)致迅速結(jié)晶.空間無容器處理基本上杜絕了異質(zhì)晶核的來源,在高溫處理時(shí)不需要考慮容器的耐高溫、耐腐蝕等問題。

利用聲壓梯度和旋轉(zhuǎn),在玻璃制備過程中可以除氣;一些亞穩(wěn)合金化合物具有較高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度,但亞穩(wěn)態(tài)的形成需要深度過冷,需要借助于無容器技術(shù)。

(4) 利用超聲懸浮場(chǎng)的能量處理材料

在制備一些新合金、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)都需要進(jìn)行均勻合成或分散。空間微重力環(huán)境雖然消除了密度差異所帶來的互相分離的因素,但也喪失了使它們均勻分散的主要手段——對(duì)流。超聲空化、微沖流和輻射壓力卻是使材料均勻化的一種有效手段。此外,空化還兼有乳化作用,可使晶粒變細(xì);在空間,重力分選失效時(shí),聲致旋轉(zhuǎn)可以進(jìn)行離心分選;聲懸浮場(chǎng)還可用于材料的外形或表面加工,可以得到球形、片和絲等形狀的材料,可以進(jìn)行表面涂敷等等。

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