“喊一嗓子”就能让小球悬空？不是魔法，是声音的力量
2022/10/8 17:00:00 中国科普博览
没有人接触这个小球，但是它稳稳当当停在半空中。这是什么魔法吗？不，这是超声悬浮的魅力。著名科幻作家亚瑟·克拉克(Arthur C. Clark)曾说过：“任何足够先进的技术都与魔法无异”。声悬浮技术就是这样一种魔法般的存在，见过的人都会惊叹于它的神奇。
超声悬浮的水滴(图片来源：Argonne National Laboratory)
Part.1
能让物体悬浮的不仅有磁，还有声提到悬浮，大家或许会想到磁悬浮列车，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，使速度得到质的提升。然而很多人可能都不知道，除了磁悬浮之外，还有一种声悬浮技术。1866年，德国物理学家奥古斯特?昆特(August Kundt)在声速测量实验中发现反应管内的尘埃颗粒在声波下可以愉快地悬浮舞动，这就是声悬浮现象。高强度声波产生的声辐射力作用于物体，与物体的重力相平衡，使物体长时间悬停在空间中而不与容器壁面相接触，这就是声悬浮现象，声悬浮避免了磨损和污染等问题。相比其他悬浮技术，声悬浮的主要优点有：对目标悬浮物质材料的限制极少；设备基础简单，实现难度小；悬浮能力强等。
一个简单的超声悬浮设备(左)，以及在悬浮状态下超声场的分布(图片来源：wikipedia)
Part.2
高温下不稳定？一个系统解决它2022年，中国科学院声学研究所的研究人员研制出一套用于高温物体物性参数测量的超声悬浮系统。为了保证这套系统在悬浮物体的同时还能对其进行激光加热，也就是说，使物体被加热产生相变(常见的相变就是固体→液体→气体的变化了)后还能保持稳定，就必须综合考虑激光加热、样品相变、气体扰流温度场对声场的影响，结合气体托举、激光加热，通过设计换能器表面形状、改善换能器带宽，实现换能器的一致性，并通过优化温度场和声场耦合参数，解决高温、气流速度和大小等因素对声场的影响，使系统能够稳定悬浮高温物体并自我调节相关参数。
高温温度场与声场耦合稳定声悬浮系统示意图(图片来源：中科院声学所)该系统的核心装置由两两相对的三组六个声学换能器组成，配套控制器和控制软件，可以稳定悬浮金属小球。该系统用聚焦激光，加热处于超声悬浮场中的小球，使其变为熔融状态。充分考虑高温和气流对声场的影响后，通过调节系统的谐振距离、功率等参数，可让1800℃以上的高温熔融物体保持稳定悬浮状态。同时，用一个低频信号(低于200Hz)激励液滴，测量其密度、黏性系数等多种参数，解决了高温导致的常规声悬浮测量手段失效的问题。
高温温度场与声场耦合稳定声悬浮系统(图片来源：中科院声学所)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。以往，研究人员已经实现了小颗粒、液滴甚至小昆虫等的悬浮，但较少对高温物体进行悬浮和定向。
被超声悬浮起来的小生物们(图片来源：参考文献[1])中科院声学所研发的这套用于高温物体物性参数测量的超声悬浮系统，结合声场和温度场优化分布和控制的研究，综合使用激光加热、气体托举等手段，可非接触地实现密度10000 kg/m^3以下的物体(比如液滴、钢球、铜球、氧化物金属球)在十几厘米空间内的稳定悬浮。该系统在半导体制造、微机电系统、机械装配、生物化学、药物制备、凝固态物理学、地面太空实验研究等领域获得广泛关注，存在广阔的应用前景。
悬浮液滴(图片来源：中科院声学所)在科学家的努力之下，声悬浮“魔法”已经展现出越来越强大的力量，相信声悬浮技术未来会在各个领域施展出更大的“魔力”。参考文献[1] Xie, W. J., et al. Acoustic method for levitation of small living animals[J]. Applied Physics Letters 89.21 (2006): 214102.
出品：科普中国
作者：王晓振、徐德龙(中国科学院声学研究所超声学实验室)
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