“喊一嗓子”就能讓小球懸空？不是魔法，是聲音的力量

沒有人接觸這個(gè)小球，但是它穩(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng)停在半空中。這是什么魔法嗎？不，這是超聲懸浮的魅力。

著名科幻作家亞瑟·克拉克（Arthur C. Clark）曾說(shuō)過(guò)：“任何足夠先進(jìn)的技術(shù)都與魔法無(wú)異”。聲懸浮技術(shù)就是這樣一種魔法般的存在，見過(guò)的人都會(huì)驚嘆于它的神奇。

超聲懸浮的水滴

（圖片來(lái)源：Argonne National Laboratory）

Part.1

能讓物體懸浮的不僅有磁，還有聲

提到懸浮，大家或許會(huì)想到磁懸浮列車，其原理是通過(guò)電磁力實(shí)現(xiàn)列車與軌道之間的無(wú)接觸的懸浮和導(dǎo)向，使速度得到質(zhì)的提升。然而很多人可能都不知道，除了磁懸浮之外，還有一種聲懸浮技術(shù)。

1866年，德國(guó)物理學(xué)家奧古斯特?昆特（August Kundt）在聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)反應(yīng)管內(nèi)的塵埃顆粒在聲波下可以愉快地懸浮舞動(dòng)，這就是聲懸浮現(xiàn)象。

高強(qiáng)度聲波產(chǎn)生的聲輻射力作用于物體，與物體的重力相平衡，使物體長(zhǎng)時(shí)間懸停在空間中而不與容器壁面相接觸，這就是聲懸浮現(xiàn)象，聲懸浮避免了磨損和污染等問題。

相比其他懸浮技術(shù)，聲懸浮的主要優(yōu)點(diǎn)有：對(duì)目標(biāo)懸浮物質(zhì)材料的限制極少；設(shè)備基礎(chǔ)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)難度??；懸浮能力強(qiáng)等。

一個(gè)簡(jiǎn)單的超聲懸浮設(shè)備（左），以及在懸浮狀態(tài)下超聲場(chǎng)的分布

（圖片來(lái)源：wikipedia）

Part.2

高溫下不穩(wěn)定？一個(gè)系統(tǒng)解決它

2022年，中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所的研究人員研制出一套用于高溫物體物性參數(shù)測(cè)量的超聲懸浮系統(tǒng)。

為了保證這套系統(tǒng)在懸浮物體的同時(shí)還能對(duì)其進(jìn)行激光加熱，也就是說(shuō)，使物體被加熱產(chǎn)生相變（常見的相變就是固體→液體→氣體的變化了）后還能保持穩(wěn)定，就必須綜合考慮激光加熱、樣品相變、氣體擾流溫度場(chǎng)對(duì)聲場(chǎng)的影響，結(jié)合氣體托舉、激光加熱，通過(guò)設(shè)計(jì)換能器表面形狀、改善換能器帶寬，實(shí)現(xiàn)換能器的一致性，并通過(guò)優(yōu)化溫度場(chǎng)和聲場(chǎng)耦合參數(shù)，解決高溫、氣流速度和大小等因素對(duì)聲場(chǎng)的影響，使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定懸浮高溫物體并自我調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)。

高溫溫度場(chǎng)與聲場(chǎng)耦合穩(wěn)定聲懸浮系統(tǒng)示意圖

（圖片來(lái)源：中科院聲學(xué)所）

該系統(tǒng)的核心裝置由兩兩相對(duì)的三組六個(gè)聲學(xué)換能器組成，配套控制器和控制軟件，可以穩(wěn)定懸浮金屬小球。該系統(tǒng)用聚焦激光，加熱處于超聲懸浮場(chǎng)中的小球，使其變?yōu)槿廴跔顟B(tài)。充分考慮高溫和氣流對(duì)聲場(chǎng)的影響后，通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的諧振距離、功率等參數(shù)，可讓1800℃以上的高溫熔融物體保持穩(wěn)定懸浮狀態(tài)。同時(shí)，用一個(gè)低頻信號(hào)（低于200Hz）激勵(lì)液滴，測(cè)量其密度、黏性系數(shù)等多種參數(shù)，解決了高溫導(dǎo)致的常規(guī)聲懸浮測(cè)量手段失效的問題。

高溫溫度場(chǎng)與聲場(chǎng)耦合穩(wěn)定聲懸浮系統(tǒng)

（圖片來(lái)源：中科院聲學(xué)所）

超聲懸浮作為懸浮技術(shù)的研究熱點(diǎn)，如何提高其系統(tǒng)的懸浮穩(wěn)定性，特別是高溫物體存在時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，是研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。以往，研究人員已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了小顆粒、液滴甚至小昆蟲等的懸浮，但較少對(duì)高溫物體進(jìn)行懸浮和定向。

被超聲懸浮起來(lái)的小生物們

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]）

中科院聲學(xué)所研發(fā)的這套用于高溫物體物性參數(shù)測(cè)量的超聲懸浮系統(tǒng)，結(jié)合聲場(chǎng)和溫度場(chǎng)優(yōu)化分布和控制的研究，綜合使用激光加熱、氣體托舉等手段，可非接觸地實(shí)現(xiàn)密度10000 kg/m^3以下的物體（比如液滴、鋼球、銅球、氧化物金屬球）在十幾厘米空間內(nèi)的穩(wěn)定懸浮。

該系統(tǒng)在半導(dǎo)體制造、微機(jī)電系統(tǒng)、機(jī)械裝配、生物化學(xué)、藥物制備、凝固態(tài)物理學(xué)、地面太空實(shí)驗(yàn)研究等領(lǐng)域獲得廣泛關(guān)注，存在廣闊的應(yīng)用前景。

懸浮液滴

（圖片來(lái)源：中科院聲學(xué)所）

在科學(xué)家的努力之下，聲懸浮“魔法”已經(jīng)展現(xiàn)出越來(lái)越強(qiáng)大的力量，相信聲懸浮技術(shù)未來(lái)會(huì)在各個(gè)領(lǐng)域施展出更大的“魔力”。

參考文獻(xiàn)

[1] Xie, W. J., et al. Acoustic method for levitation of small living animals[J]. Applied Physics Letters 89.21 (2006): 214102.

出品：科普中國(guó)

作者：王曉振、徐德龍（中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所超聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室）

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