實驗名稱：高壓功率放大器在超聲駐波場的水下顆粒操控中的應用

　　研究方向：超聲波控制

　　測試目的：

　　超(chao)聲波(bo)產生的聲輻射力(li)可以實現對微小(xiao)物(wu)體(ti)的操控(kong)。針對微米尺(chi)度顆粒在(zai)液體(ti)環境的操控(kong)問(wen)題，基于黏性介質中的聲輻射力(li)理論，建立由雙凹球面聚焦(jiao)超(chao)聲換能器(qi)驅動下的水下顆粒操控(kong)模型。利用COMSOL軟件仿真了模型的聲場、聲流場及顆粒操控動態過程，最后通過水下顆粒操控實驗對仿真結果進行驗證。研究發現，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主要依靠聲輻射力將顆粒團聚在波節位置，但隨著顆粒尺寸的減小，顆粒無法繼續束縛，顆粒操控將由依靠聲輻射力轉變為聲流曳力。此外聲場強度的增加會增強顆粒操控的抗擾動能力。

　　測試設備：機械夾持裝置，可以調節夾持換能器的距離及角度；凹球面超聲聚焦換能器；多功能信號發生器；高壓功率放大器(ATA-4014)；數字示波器；(6)有機玻璃材質透明水槽。

　　實驗過程：

　　實驗采(cai)用(yong)聚苯乙烯(xi)顆粒作為操(cao)控目標(biao)，選取了半徑(jing)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，靜置會沉入杯底，實驗時需要對顆粒進行攪拌，使其處于懸停狀態后吸入滴管。在實驗前向水槽中加入蒸餾水浸沒裝置，調整兩個換能器孔徑平面距離為1.5倍焦距(30mm)，連接好設備后，控制信號發生器發射頻率為1MHz的正弦波連續信號，經過功率放大器后，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，重復多次向聲波輻射區域添加顆粒，待顆粒的束縛狀態穩定后進行實驗記錄。不同尺寸顆粒的水下聚集狀態如下圖所示，半徑為150、75μm顆粒在換能器中軸線區域被束縛，對應于聲場的局部駐波場區域，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范圍內，當顆粒半徑減小到7.5μm時，顆粒已經無法完成束縛，添加的顆粒會隨著聲流向兩側緩慢移動。同時顆粒操控的穩定程度也隨半徑減小而減弱。其中對尺寸為150μm的顆粒操控最為穩定，可以跟隨夾持設備一同緩慢移動，但顆粒尺寸減小到37.5μm后，受到水域的微擾動便會有粒子離開輻射區域，顆粒尺寸越小穩定性越差。

　　圖：不同顆(ke)粒(li)下(xia)的水下(xia)聚集(ji)狀態

　　實驗結果：

　　1、仿真僅考慮了顆(ke)(ke)粒在(zai)水中(zhong)操控(kong)過程中(zhong)受到的(de)聲輻射(she)力(li)(li)(li)與聲流(liu)曳(ye)(ye)(ye)力(li)(li)(li)。顆(ke)(ke)粒在(zai)駐(zhu)(zhu)波聲場中(zhong)會聚集并束縛(fu)在(zai)聲波波節(jie)位(wei)置，該位(wei)置對(dui)應于(yu)平均(jun)勢能場的(de)最小值(zhi)。在(zai)顆(ke)(ke)粒的(de)縱(zong)向(xiang)(xiang)(xiang)聚集過程中(zhong)，局部駐(zhu)(zhu)波場的(de)縱(zong)向(xiang)(xiang)(xiang)聲輻射(she)力(li)(li)(li)為(wei)主導(dao)力(li)(li)(li)，其(qi)數值(zhi)遠大于(yu)同向(xiang)(xiang)(xiang)的(de)聲流(liu)曳(ye)(ye)(ye)力(li)(li)(li)；橫(heng)向(xiang)(xiang)(xiang)聚集取決于(yu)橫(heng)向(xiang)(xiang)(xiang)聲輻射(she)力(li)(li)(li)與曳(ye)(ye)(ye)力(li)(li)(li)的(de)相對(dui)大小，在(zai)顆(ke)(ke)粒尺度變小的(de)過程中(zhong)，聲流(liu)曳(ye)(ye)(ye)力(li)(li)(li)漸漸成為(wei)主導(dao)力(li)(li)(li)，此時(shi)依靠聲輻射(she)力(li)(li)(li)將無法對(dui)顆(ke)(ke)粒進(jin)行操控(kong)。

　　2、仿真(zhen)中(zhong)(zhong)流場分布沒有發(fa)生(sheng)變(bian)(bian)化的(de)前(qian)提(ti)下，聲(sheng)場強度的(de)改變(bian)(bian)，聲(sheng)場內任意位置處(chu)的(de)兩種力(li)(li)的(de)相對(dui)大(da)小不(bu)變(bian)(bian)，即合(he)力(li)(li)的(de)方向不(bu)變(bian)(bian)，顆粒的(de)操控模式不(bu)變(bian)(bian)，合(he)力(li)(li)大(da)小與(yu)(yu)聲(sheng)場聲(sheng)壓值的(de)平方成正比(bi)。但實際(ji)情況中(zhong)(zhong)，考慮顆粒受到的(de)重力(li)(li)、浮力(li)(li)及環境擾動后(hou)，聲(sheng)場強度的(de)增大(da)可以增強顆粒的(de)操控與(yu)(yu)抗擾動能力(li)(li)。

　　3、水(shui)下顆粒(li)操控實(shi)驗的(de)結(jie)果驗證了第一條(tiao)結(jie)論，換能器輻(fu)射(she)形成的(de)局部駐(zhu)波(bo)場可以依靠(kao)聲輻(fu)射(she)力(li)穩(wen)定地聚(ju)集顆粒(li)，但(dan)隨著(zhu)顆粒(li)的(de)尺寸減小，顆粒(li)分布(bu)逐漸分散，聲輻(fu)射(she)力(li)不(bu)再作為主(zhu)導力(li)，若想對該尺寸下的(de)顆粒(li)進行聚(ju)集，需要(yao)依靠(kao)聲學微(wei)渦(wo)流等方(fang)式(shi)實(shi)現目標。

　　安(an)泰ATA-4014高壓功率放大器：

　　圖(tu)：ATA-4014高壓功率放大器指標參數

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