“喊一嗓子”就能讓小球懸空？不是魔法，是聲音的力量-深i科普

微信谘詢

谘詢電話

公眾號

TOP

首頁 > 資訊 > 科普新聞

“喊一嗓子”就能讓小球懸空？不是魔法，是聲音的力量

來源：中國科普博覽

發布時間：2022-10-10

瀏覽次數：2293

版權歸原作者所有，如有侵權，請聯係我們(men)

沒有人接觸這個(ge) 小球，但是它穩穩當當停在半空中。這是什麽(me) 魔法嗎？不，這是超聲懸浮的魅力。

著名科幻作家亞(ya) 瑟·克拉克（Arthur C. Clark）曾說過：“任何足夠先進的技術都與(yu) 魔法無異”。聲懸浮技術就是這樣一種魔法般的存在，見過的人都會(hui) 驚歎於(yu) 它的神奇。

超聲懸浮的水滴

（圖片來源：Argonne National Laboratory）

Part.1

能讓物體(ti) 懸浮的不僅(jin) 有磁，還有聲

提到懸浮，大家或許會(hui) 想到磁懸浮列車，其原理是通過電磁力實現列車與(yu) 軌道之間的無接觸的懸浮和導向，使速度得到質的提升。然而很多人可能都不知道，除了磁懸浮之外，還有一種聲懸浮技術。

1866年，德國物理學家奧古斯特•昆特（August Kundt）在聲速測量實驗中發現反應管內(nei) 的塵埃顆粒在聲波下可以愉快地懸浮舞動，這就是聲懸浮現象。

高強度聲波產(chan) 生的聲輻射力作用於(yu) 物體(ti) ，與(yu) 物體(ti) 的重力相平衡，使物體(ti) 長時間懸停在空間中而不與(yu) 容器壁麵相接觸，這就是聲懸浮現象，聲懸浮避免了磨損和汙染等問題。

相比其他懸浮技術，聲懸浮的主要優(you) 點有：對目標懸浮物質材料的限製極少；設備基礎簡單，實現難度小；懸浮能力強等。

一個(ge) 簡單的超聲懸浮設備（左），以及在懸浮狀態下超聲場的分布

（圖片來源：wikipedia）

Part.2

高溫下不穩定？一個(ge) 係統解決(jue) 它

2022年，中國科學院聲學研究所的研究人員研製出一套用於(yu) 高溫物體(ti) 物性參數測量的超聲懸浮係統。

為(wei) 了保證這套係統在懸浮物體(ti) 的同時還能對其進行激光加熱，也就是說，使物體(ti) 被加熱產(chan) 生相變（常見的相變就是固體(ti) →液體(ti) →氣體(ti) 的變化了）後還能保持穩定，就必須綜合考慮激光加熱、樣品相變、氣體(ti) 擾流溫度場對聲場的影響，結合氣體(ti) 托舉(ju) 、激光加熱，通過設計換能器表麵形狀、改善換能器帶寬，實現換能器的一致性，並通過優(you) 化溫度場和聲場耦合參數，解決(jue) 高溫、氣流速度和大小等因素對聲場的影響，使係統能夠穩定懸浮高溫物體(ti) 並自我調節相關(guan) 參數。

高溫溫度場與(yu) 聲場耦合穩定聲懸浮係統示意圖

（圖片來源：中科院聲學所）

該係統的核心裝置由兩(liang) 兩(liang) 相對的三組六個(ge) 聲學換能器組成，配套控製器和控製軟件，可以穩定懸浮金屬小球。該係統用聚焦激光，加熱處於(yu) 超聲懸浮場中的小球，使其變為(wei) 熔融狀態。充分考慮高溫和氣流對聲場的影響後，通過調節係統的諧振距離、功率等參數，可讓1800℃以上的高溫熔融物體(ti) 保持穩定懸浮狀態。同時，用一個(ge) 低頻信號（低於(yu) 200Hz）激勵液滴，測量其密度、黏性係數等多種參數，解決(jue) 了高溫導致的常規聲懸浮測量手段失效的問題。

高溫溫度場與(yu) 聲場耦合穩定聲懸浮係統

（圖片來源：中科院聲學所）

超聲懸浮作為(wei) 懸浮技術的研究熱點，如何提高其係統的懸浮穩定性，特別是高溫物體(ti) 存在時係統的穩定性，是研究的重點和難點。以往，研究人員已經實現了小顆粒、液滴甚至小昆蟲等的懸浮，但較少對高溫物體(ti) 進行懸浮和定向。

被超聲懸浮起來的小生物們(men)

（圖片來源：參考文獻[1]）

中科院聲學所研發的這套用於(yu) 高溫物體(ti) 物性參數測量的超聲懸浮係統，結合聲場和溫度場優(you) 化分布和控製的研究，綜合使用激光加熱、氣體(ti) 托舉(ju) 等手段，可非接觸地實現密度10000 kg/m^3以下的物體(ti) （比如液滴、鋼球、銅球、氧化物金屬球）在十幾厘米空間內(nei) 的穩定懸浮。

該係統在半導體(ti) 製造、微機電係統、機械裝配、生物化學、藥物製備、凝固態物理學、地麵太空實驗研究等領域獲得廣泛關(guan) 注，存在廣闊的應用前景。