《超声驻波悬浮装置设计》文献综述
1前言
近年来，超声驻波悬浮技术得到广泛应用。超声驻波悬浮技术简单易行，没有明显的机械支撑，几乎对客体没有附加效应，从而可用于熔炼超高纯度固体材料以及研究流体和生物体的力学性质[1]。不仅如此，在零下33℃时，水滴在超声驻波悬浮的条件下依然是液体状态，这是一种过冷现象，利用超声驻波悬浮技术，可以开展深过冷热力学的研究[2]。在生物化学领域，超声驻波悬浮技术可用于单细胞分析，了解生命进程的规律[3]。超声驻波还可用于测定液滴的震荡规律、衰减特征与液滴的表面张力、液滴的粘稠关系等[4]。
2 发展与现状
第一台超声驻波换能器出现在1964年,该换能器是由 Hanson A R等人设计并制造的,受当时的条件限制,该换能器的悬浮能力比较弱[5]。2010年, Marco A.B.Andrade和 Julio C. Adamowski等人对单轴声悬浮装置进行了有限元分析与优化并通过实验验证,最终得出,当换能器辐射端面为平面而反射端面为凹球面时,其弹性恢复常数比辐射面和反射面均为平面时高18倍[6]。
Joong-kyoo Park和Paul I.Ro研制一套新型的驻波悬浮装置，该装置利用两个换能器，每个换能器的辐射面作为另一个换能器反射面，并且两个换能器的轴线夹角可调。实验发现，改变相位是一种有效调节悬浮位置的方式。通过改变两个换能器的相位，实现被悬浮物体的Z形传输和椭圆形传输[7]。
西北工业大学解文军等人对单轴悬浮装置进行了优化设计,辐射端为平面,将反射端的形状改为凹球面、旋转抛物面和旋转双曲面,通过实验比较其悬浮能力,最后得出当反射端面为凹球面时其悬浮能力最强[8]。
北京航空航天大学的潘祥生等人将换能器的辐射端的形状设计为凹球面,反射面仍为平面,与辐射面和反射面均为平面换能器进行悬浮能力和悬浮稳定性的对比实验,得出辐射端形状为凹球面时,其悬浮能力以及悬浮稳定性都要比辐射端形状为平面时强[9]。
吉林大学机械科学与工程学院的焦晓阳等为了实现材料的无容器处理,设计了一套驻波悬浮装置,将该装置中的换能器的辐射端和反射端均设计为凹球面,并且对反射端凹球面的球面半径进行仿真分析,选择一个使声场声压最大的凹球面半径作为实验用反射面的凹球面半径,并且用该实验装置实现的钢球的悬浮[10]。
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