高壓功率放大器在超聲駐波場(chǎng)的水下顆粒操控中的應(yīng)用

　　實(shí)驗(yàn)名稱：高壓功率放大器在超聲駐波場(chǎng)的水下顆粒操控中的應(yīng)用

　　研究方向：超聲波控制

　　測(cè)試目的：

　　超聲波產(chǎn)生的聲輻射力可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微小物體的操控。針對(duì)微米尺度顆粒在液體環(huán)境的操控問題，基于黏性介質(zhì)中的聲輻射力理論，建立由雙凹球面聚焦超聲換能器驅(qū)動(dòng)下的水下顆粒操控模型。利用COMSOL軟件仿真了模型的聲場(chǎng)、聲流場(chǎng)及顆粒操控動(dòng)態(tài)過程，最后通過水下顆粒操控實(shí)驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。研究發(fā)現(xiàn)，顆粒在水下操控過程受到聲輻射力與聲流曳力的共同作用，由聲波干涉作用形成的局部駐波場(chǎng)主要依靠聲輻射力將顆粒團(tuán)聚在波節(jié)位置，但隨著顆粒尺寸的減小，顆粒無法繼續(xù)束縛，顆粒操控將由依靠聲輻射力轉(zhuǎn)變?yōu)槁暳饕妨Α４送饴晥?chǎng)強(qiáng)度的增加會(huì)增強(qiáng)顆粒操控的抗擾動(dòng)能力。

　　測(cè)試設(shè)備：機(jī)械夾持裝置，可以調(diào)節(jié)夾持換能器的距離及角度；凹球面超聲聚焦換能器；多功能信號(hào)發(fā)生器；高壓功率放大器(ATA-4014)；數(shù)字示波器；(6)有機(jī)玻璃材質(zhì)透明水槽。

　　實(shí)驗(yàn)過程：

　　實(shí)驗(yàn)采用聚苯乙烯顆粒作為操控目標(biāo)，選取了半徑為150、75、37.5和7.5μm的四種顆粒。由于聚苯乙烯顆粒密度略大于水，將顆粒倒入小燒杯中加水，靜置會(huì)沉入杯底，實(shí)驗(yàn)時(shí)需要對(duì)顆粒進(jìn)行攪拌，使其處于懸停狀態(tài)后吸入滴管。在實(shí)驗(yàn)前向水槽中加入蒸餾水浸沒裝置，調(diào)整兩個(gè)換能器孔徑平面距離為1.5倍焦距(30mm)，連接好設(shè)備后，控制信號(hào)發(fā)生器發(fā)射頻率為1MHz的正弦波連續(xù)信號(hào)，經(jīng)過功率放大器后，示波器顯示輸入電壓的峰-峰值為13.6V。換能器開啟后，使用滴管吸取包含顆粒的水溶液，重復(fù)多次向聲波輻射區(qū)域添加顆粒，待顆粒的束縛狀態(tài)穩(wěn)定后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)記錄。不同尺寸顆粒的水下聚集狀態(tài)如下圖所示，半徑為150、75μm顆粒在換能器中軸線區(qū)域被束縛，對(duì)應(yīng)于聲場(chǎng)的局部駐波場(chǎng)區(qū)域，部分顆粒處于中軸上，其余顆粒稍微偏離中軸1～2mm，隨著顆粒尺寸的減小，顆粒的聚集程度減弱，分散地分布在輻射聲場(chǎng)范圍內(nèi)，當(dāng)顆粒半徑減小到7.5μm時(shí)，顆粒已經(jīng)無法完成束縛，添加的顆粒會(huì)隨著聲流向兩側(cè)緩慢移動(dòng)。同時(shí)顆粒操控的穩(wěn)定程度也隨半徑減小而減弱。其中對(duì)尺寸為150μm的顆粒操控最為穩(wěn)定，可以跟隨夾持設(shè)備一同緩慢移動(dòng)，但顆粒尺寸減小到37.5μm后，受到水域的微擾動(dòng)便會(huì)有粒子離開輻射區(qū)域，顆粒尺寸越小穩(wěn)定性越差。

　　圖：不同顆粒下的水下聚集狀態(tài)

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

　　1、仿真僅考慮了顆粒在水中操控過程中受到的聲輻射力與聲流曳力。顆粒在駐波聲場(chǎng)中會(huì)聚集并束縛在聲波波節(jié)位置，該位置對(duì)應(yīng)于平均勢(shì)能場(chǎng)的最小值。在顆粒的縱向聚集過程中，局部駐波場(chǎng)的縱向聲輻射力為主導(dǎo)力，其數(shù)值遠(yuǎn)大于同向的聲流曳力；橫向聚集取決于橫向聲輻射力與曳力的相對(duì)大小，在顆粒尺度變小的過程中，聲流曳力漸漸成為主導(dǎo)力，此時(shí)依靠聲輻射力將無法對(duì)顆粒進(jìn)行操控。

　　2、仿真中流場(chǎng)分布沒有發(fā)生變化的前提下，聲場(chǎng)強(qiáng)度的改變，聲場(chǎng)內(nèi)任意位置處的兩種力的相對(duì)大小不變，即合力的方向不變，顆粒的操控模式不變，合力大小與聲場(chǎng)聲壓值的平方成正比。但實(shí)際情況中，考慮顆粒受到的重力、浮力及環(huán)境擾動(dòng)后，聲場(chǎng)強(qiáng)度的增大可以增強(qiáng)顆粒的操控與抗擾動(dòng)能力。

　　3、水下顆粒操控實(shí)驗(yàn)的結(jié)果驗(yàn)證了第一條結(jié)論，換能器輻射形成的局部駐波場(chǎng)可以依靠聲輻射力穩(wěn)定地聚集顆粒，但隨著顆粒的尺寸減小，顆粒分布逐漸分散，聲輻射力不再作為主導(dǎo)力，若想對(duì)該尺寸下的顆粒進(jìn)行聚集，需要依靠聲學(xué)微渦流等方式實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。

　　安泰ATA-4014高壓功率放大器：

　　圖：ATA-4014高壓功率放大器指標(biāo)參數(shù)

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