在空中的悬浮物体似乎是科幻小说中的东西，但实际上是一个科学的现实。悬浮物质的一种方法是使用声波通过称为物理现象来提升和悬浮小样品声悬浮。为了了解是否可以改善声学悬浮器的设计，保罗·施雷尔学院（Paul Scherrer Institute）的开发工程师洛萨·霍利茨纳（Lothar Holitzner）使用逐步的多物理方法创建了一个实用模型。
浮动物体通过波浪
鉴于足够的强度，只要产生站立波，声波就能将小物体（固体，液体和重气体）提升到周围环境（空气或液体）中。要在声学悬浮器设置中产生站立波，通常会安排两个扬声器，以便一个用作反射器的扬声器在顶部，另一个用作传感器的扬声器在底部，它们之间有空间。组件的凹形形状有助于在从这些表面弹起时更加强烈地聚焦声音。当换能器和反射器彼此右距离（扬声器产生略高于听觉范围的声波）时，发出和反射的声波彼此干扰，从而产生了常驻波。
站立波有节点（压力为最小的节点）和抗ino（其中压力为最大）。节点在声悬浮中至关重要：在那里，压力是这样可以基本上取消重力并允许小物体漂浮的。
在简化的声音悬浮器设置中的常驻波模式的示例。
声悬浮的外星和陆地用途
在1980年代，NASA和欧洲太空管理（ESA）使用声音悬浮来研究微重力环境中的液滴形成和运动，这为例如，例如Planet和Star Evolution的理论提供了更多的了解。在太空中，可以在航天器中的气体装置中进行这种悬浮。如今，在地球上，我们能够创建微重力条件，以帮助工程师复制以前只能在航天器上进行的实验。微重力条件在声悬浮中特别有用，因为平衡重力拉力所需的声音辐射压力要小得多。
在陆地上使用这种系统的优点之一是能够在无容器条件下执行某些技术。在无容器的处理中，声悬浮用于制造微芯片，这些微芯片由于其尺寸小而悬挂（而不是处理）时更容易硬化和锐化。某些类型的化学处理在无容器条件下也可以更好地工作，因为某些材料具有腐蚀性并与容器反应。在制药行业中，悬浮者为无污染物的空间提供了医学制造。
药液滴由声音悬浮器悬挂在空中。美国能源部和公共领域的图像Flickr Creative Commons。
当然，悬浮较大的对象将扩大可以完成的工作的范围。为了扩大声音悬浮者的能力，瑞士Paul Scherrer Institute的Lothar Holitzner创建了一个逐步的过程，用于建模现实，改进的声学悬浮器。他在2018年Comsol会议洛桑（Lausanne）上介乐动滚球app下载绍了自己的作品。
Holitzner说，声悬浮器的演变已经引起了各种模型来计算它们，例如类比模型或各种有限元模型。但是，大多数当前模型的问题是它们仅处理悬浮剂的某些方面（例如机械细节）。Holitzner解释说，缺少的是“对共同多物理模型中所有交互的总体描述”。为了填补这一空白，他使用ComsolMultiphysics®软件建立了一个模型，称其为“理想的工具”。
使用ComsolMultiphysics®建模的6个步骤
Holitzner受到启发设计悬浮剂，以用作中子散射实验中的样本环境，例如小角度的中子散射（SANS）或X射线散射实验，这两种实验均可在瑞士的Paul Scherrer Institute中使用。
在设计悬浮器本身之前，Holitzner考虑了将悬浮的样品的设计参数。由于他希望该模型的设计具有实用性和现实，因此他研究了现有的悬浮者及其使用方式。由此，他认为样本量应该尽可能大，这有助于他确定传感器频率应在较低的超声波范围内，约22 kHz（声音听不清）。然后，他想知道：“设备应该悬浮固体和液体样品吗？”这个问题最终导致了传感器的创新设计。
在典型的声音悬浮器设置中，当级联液体样品接触传感器时，样品原子化。Holitzner意识到，如果他希望他的悬浮剂同时提起固体和液体样品，他将需要更改方向 - 换句话说，将声音悬浮器颠倒过来，将换能器放在反射器上方。
做出此决定后，他受到了由20-khz参考模型的草图的启发。利尔克。基于参考，他设置了一个新的压电传感器原型（机械耦合的谐振器），以将22 kHz辐射到反射器上。他用压电堆栈代替了压电对，以降低电压并调整频率。然后，他放置了固体样品，该样品是球形的，直径为4 mm，在传感器下方，并逐步改善了悬浮剂。
颠倒的声音悬浮器。图片由洛萨·霍利茨纳（Lothar Holitzner）提供。
步骤1：组装传感器
首先，Holitzner使用附加组件在预应阶段进行了静态研究结构力学模块。然后，他用夹紧螺钉在轴向预加载换能器的环（使中央螺栓处于自负之下）。如果有开放的压电电极，计算出的电压（即浮动电势）可以显示机械预紧力。
预应力中央螺栓后的电压和轴向应力。图片由洛萨·霍利茨纳（Lothar Holitzner）提供。
步骤2：确定传感器几何形状
接下来，Holitzner进行了一项特征频率研究：
- 检查预应力的传感器的天然振荡
- 排除传感器的倾斜和摆振荡
同样在此阶段，他通过调整换能器几何形状，然后将速度节点与固定法兰相同的水平，将共振频率调整为22 kHz。
特征频率为22,002 Hz的换能器的总位移（振幅），变形量表因子为500。图像由Lothar Holitzner提供。
19,963 Hz的不想要的振荡，变形量表因子为130。图像由Lothar Holitzner提供。
步骤3：振动预应力传感器
借助AC/DC模块，Holitzner进行了频域研究，将换能器振动为谐波振荡。请注意，在此步骤中，振幅共振曲线的形状表示传感器材料中的瑞利阻尼。
使用声学模块，他还计算了以下各项之间的原声固体相互作用：
- 传感器
- 反射器
- 声悬浮场
- 固体样本
振荡换能器的最大功率辐射到气体结构域中。当对反射器和面部面之间的距离调谐到最大声阻抗之间的共鸣时，就会发生这种情况，如下所示。此外，Holitzner在声波中检查了具有五个固定压力节点的优化强烈的声场，在此期间将样品球放置在第三个压力节点中，使他能够看到频率依赖性的功率传递从电极到电极，悬浮声场。
位移幅度为22,000 Hz，用于z-成分。图片由洛萨·霍利茨纳（Lothar Holitzner）提供。
从压电电极到悬浮声场的功率传递。输入是根据压电电流和电压计算得出的电力，输出是在声分面部边界上计算出的声学辐射功率。图片由洛萨·霍利茨纳（Lothar Holitzner）提供。
步骤4：检查传感器运动
下一项研究是依赖时间的，它以分辨的运动序列检查了谐振频率（22 kHz）的传感器振荡。在下图显示换能器中轴向应力的下图中，蓝色区域表明压缩应力和红色区域表示张力。
传感器位移字段（z- 组件）显示压电电压。图片由洛萨·霍利茨纳（Lothar Holitzner）提供。
步骤5：扫描样品位置
接下来，Holitzner专注于声悬浮器模型的固体样品成分，该模型通过声场产生的声辐射压力将其推入压力节点。使用压力声学，频域界面，他进入样品表面的速度，结果使样品表面上的垂直力。
然后，他通过在压力节点区域进行垂直样品位置的参数扫描来研究悬浮力的进程。然后将此力进程用作下一个（也是最后一个）步骤中的输入。
步骤6：计算样本力平衡
Holitzner通过专注于网格来发现固体样品的力平衡。他将气体域的网格基于软件中的移动网格，因为它使样品域能够更改其位置。然后，他能够使用力平衡方程计算最终的垂直样品位置，并通过规定的位移移动样品。样品周围的网格相应变形。
然后，Holitzner以新的样品位置重新计算了压力声场。这证实了样品的重量与表面垂直声辐射力之间的力平衡。
通过针对网格和几何形状进行的研究找到实体样品的平衡。图片由洛萨·霍利茨纳（Lothar Holitzner）提供。
通过遵循逐步建模的方法，Holitzner可以在声悬浮者的不同阶段仔细研究各种多物理现象，并寻找机会进一步改进。As illustrated by this process, it’s helpful to understand basic properties of acoustic levitators, such as the frequency-dependent power transfer from the piezo electrodes to the levitation sound field, mechanical stress and deformation of the transducer component, pressure and forces used to levitate the sample component, how the position of the sample changes the force progression, and more.
下一步
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