超声悬浮技术漫谈：声悬浮是声辐射压力的作用表现

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　　有限振幅声波产生的主要效应之一——声辐射压力是声悬浮的研究起点，它是声学前沿研究的重要课题之一。

　　走进别人世界的首先是要去了解她的背景历史，任何一件事物也一样，声悬浮也有其有趣的历史背景。

　　在科学史上，声悬浮最早是由19世纪德国著名物理学家A.Kundt发现的，是继 Newton之后的一位杰出的实验物理学家， A.Kundt在19世纪60年代发现了一种很有趣的声波波长测量方法，称为“粉像”方法，用一根4ft(1ft=0.3048m)长的玻璃管，在管内放进一种固态粉粒—石松子，摇晃之后使之均匀吸附在管的内壁。水平放置玻璃管，并用布在玻璃管在摩擦发声。

　　不久，管内的声波形成驻波场，原来均匀吸附在管的内壁的石松子在驻波声波的作用下重新分布。在驻波的波节上有石松子的堆积，展现了一幅和声驻波密切相关的粉像，如下图。

　　利用了这张粉像，Kundt测量出了声波波长。根据声波速度、声波频率和声波波长之间的关系，就可以进一步确定声波参数，如果已知声速c，利用波长就可以得到声音的频率;反过来，如果使用固定频率的音叉发声，利用测得的波长就可以得到声波在玻璃管内传播的速度c。到目前为止许多大学物理教学中仍有粉像测量声速的实验内容，为了纪念Kundt在声学、物理 上的贡献，人们常把这种声驻波管称为Kundt驻波管。

　　Kundt粉像的形成是声悬浮的结果，之后，声悬浮逐渐成为一种实用的利用声波产生的作用力来抵抗地球引力的声悬浮技术 ，这种声波产生的作用力称为声辐射力。目前，声悬浮已经应用到流体的力学性能研究、物性测量、无容器材料处理和制备、地面空间状态模拟、太空实验等方面。

　　现象分析
　　声悬浮是声辐射压力的作用表现。声辐射压力是反映流体媒质中传播的声波，入射到一个障碍物上，在其上所产生的前向平均压力，其方向与声传播的方向相同。

　　什么叫声悬浮呢?
　　当一束声波入射到物体的表面时，物体受到正比于声压平方的辐射压力，一般强度的声波，其辐射压力小于重力，然而当声强足够高时，产生的辐射压力可克服重力时，使物体处于悬浮状态称为声悬浮。声喷泉也是类似声悬浮声辐射压力的作用效果。以下是几种声悬浮现象。

　　液珠的超声悬浮

　　钢珠的超声悬浮

　　瓢虫的超声悬浮

　　我们知道，在地球表面，液体中的气泡是向上移动的，因为地球引力造成的压力梯度是向下的。设想一下，如果在天顶方向对称的存在另一个地球，那么气泡将会怎样运动呢?出于对称性的考虑，气泡肯定停留在两地球中间。因为无论朝上还是朝下，静压力都是增大的。对于密度小于液体的气泡来说，它不可能沿着压力增大的方向运动，因此只能悬浮在压力最小处。

　　两个地球是不可能的，但是声波却可以形成一个附加压力，起平衡地球引力的作用，实现气泡的悬浮。关于气泡在液体中的悬浮，和其他材料在空间悬浮一样，都属于材料的无容器悬浮问题，是在地球表面模拟微重力环境的重要技术。根据物理机制的不同，悬浮技术包括气动悬浮、磁悬浮、光悬浮、静电悬浮、超导悬浮和声悬浮等。目前技术相对成熟的、也是人们最为熟悉的悬浮技术可能是磁悬浮技术。相比磁悬浮，声悬浮具有以下两个特点：

　　    · 对被处理材料无特殊的电磁学性质要求，原则上可以悬浮任何性质的材料;

　　    · 本身不产生加热效应，不会产生过热引起的滴流现象，特别适合于低熔点的合金的处理。

　　因此声悬浮技术备受青睐。声悬浮也是一种强声学效应，需要很大的声能量，才能浮起高密度的材料，因此通常使用超声频段的声波，因而声悬浮也称也称超声悬浮。

　　最后需要指出的是，声辐射压力都和声平均能量密度成正比，为了产生大的声辐射的压力，需要有高的声能量密度，因此，通常悬浮位置选择在振动面附近的近场，或者声驻波场的波腹，以及聚焦声场的焦点等，以增强声能量密度 。为了得到稳定的声悬浮压力，也需要建立声驻波场。可见，在声悬浮中经常采用声驻波场。

　　在声驻波场里，声平均能量密度在空间有一个稳定的分布，辐射压力也有一个稳定的空间分布，合理的构造和利用这个辐射压力分部，可以抵消重力作用，实现驻波场声悬浮，同时，由于驻波条件限制，声波的波长(或者频率)也有严格的要求。

　　相对来说，近场声悬浮的物理条件比较宽松，但悬浮只发生在换能器振动面附近。它是高声强条件下的一种复杂的非线性效应，是地面和空间条件下实现材料无容器处理的关键技术之一，也是20世纪80年代发展起来的超声压电作动器的工作基础，被广泛的应用于微机电系统中 。

　　如果你对于超声悬浮感兴趣的话，那就从声学基础原理开始学习并努力探索吧!

　　本文转载自安建大声学公众号(ID：aiai_acoustics)，作者：杨蒙恩。