声悬浮技术的用武之地在哪

 

一提到悬浮，或许小伙伴们首先想到的是磁悬浮，这项技术已经广泛应用于磁悬浮交通及磁悬浮工艺品等众多领域。对于磁悬浮列车，其原理是通过电磁力实现列车与轨道之间的无接触的悬浮和导向，使列车的速度得到质的提升。然而，我们今天的主角却是另一种悬浮方式，它可能鲜为人知，这一悬浮方式与磁力无关，而是与声波有关，借助声波的“浮力”，水珠可以悬浮在空中。悬浮在半空中的药滴

这听起来是不是有点玄乎，正如著名科幻作家亚瑟·克拉克（Arthur C. Clark）所说的一样：“任何足够先进的技术都与魔法无异”。然而，魔法般的声悬浮技术其实最早可以追溯到1866年。当时27岁的德国科学家孔特（Kundt）在做声速的测量实验的时候，意外地发现反应管内的尘埃颗粒在声波下可以愉快地悬浮舞动。通过这些尘埃有规则的悬浮舞动，他敏感地发现了放射波和反射波叠加后的驻波场及声悬浮现象。他的发现，引起了许多学者对声场中的作用力的好奇，揭开了声悬浮研究的序幕。

 

昆特用于测量声速的谐振管，后人称为“昆特管”（Kundt tube）

在讲声悬浮实现的原理之前，我们先来回想一下声音的本质。根据初中的物理知识我们知道，声音是由于空气（或任何弹性介质）中分子的振动导致周围分子振动而产生的波。简单来说，声悬浮是高声强条件下的一种非线性效应，其基本原理是利用声驻波与物体的相互作用产生竖直方向的悬浮力以克服物体的重力，同时产生水平方向的定位力将物体固定于声压的波节处。

声悬浮原理图

那么，驻波是怎样形成的呢？波节又是什么呢？我们设想有一个超声波声源，超声波射向另外一个反射面的距离是可以调节的，如果把这两个之间的距离调节到半波长的整数倍，声源处发出的波与反射回来的波相互叠加便可以形成驻波。下面这张图便形象地展示了驻波的形成，蓝色的和紫色的这两束波叠加以后就形成了驻波，驻波就是咱们图上的红色的波形。在图中我们可以发现有一些点是不振动的，这些点就被称为波节，还有一部分点是振荡的幅度最大，我们称它为波腹。

经过研究人员的努力，目前已经能够实现小颗粒、液滴甚至小昆虫等的悬浮，但对高温物体进行悬浮和定向的研究较少。超声悬浮作为悬浮技术的研究热点，如何提高其系统的悬浮稳定性，特别是高温物体存在时系统的稳定性，是研究的重点和难点。2022年，中科院声学所研发的用于高温物体物性参数测量的超声悬浮系统，综合使用激光加热、气体托举等手段，非接触地实现了密度在10000 kg/m3以下的物体十几厘米空间内的稳定悬浮。

声悬浮下的小生物

为什么研究人员要热衷于研究声悬浮技术呢？其实，声悬浮技术在很多行业都大有用武之地。在很多情况下，我们需要在无容器的条件下进行生产。比如微芯片的制造，芯片由于体积小，在悬浮（无需被夹持）时更容易硬化和锐化；再比如因为某些材料具有腐蚀性并会与容器发生反应，这时候声悬浮技术便可以实现在无容器条件下进行化学处理；在制药行业，悬浮器也为药物制造提供了一个无污染的空间。

 

但是，对于目前的超声悬浮装置仍存在许多缺陷与可改进之处，比如悬浮物体的尺寸难以突破声波半波长，超声悬浮装置需要小型化、轻量化，需要引入应力测量系统以便研究超声悬浮条件下的应力应变关系等。相信在不久的将来，随着技术的进一步完善与发展，超声悬浮将在科学研究和生产生活中发挥更大的作用和价值。
        责任编辑：彭菁