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  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：

  超聲(sheng)(sheng)波(bo)產生的(de)聲(sheng)(sheng)輻(fu)射(she)力(li)(li)可以實現(xian)對(dui)微(wei)小物體的(de)操控(kong)。針(zhen)對(dui)微(wei)米尺度(du)顆(ke)粒(li)在(zai)液體環境的(de)操控(kong)問(wen)題，基于黏性介質(zhi)中的(de)聲(sheng)(sheng)輻(fu)射(she)力(li)(li)理(li)論，建立由雙(shuang)凹(ao)球(qiu)面聚焦(jiao)超聲(sheng)(sheng)換能(neng)器驅動下的(de)水(shui)下顆(ke)粒(li)操控(kong)模型。利(li)用(yong)COMSOL軟件仿真了(le)模型的(de)聲(sheng)(sheng)場、聲(sheng)(sheng)流場及顆(ke)粒(li)操控(kong)動態過程，最后通過水(shui)下顆(ke)粒(li)操控(kong)實驗對(dui)仿真結果進行驗證。研(yan)究發現(xian)，顆(ke)粒(li)在(zai)水(shui)下操控(kong)過程受到聲(sheng)(sheng)輻(fu)射(she)力(li)(li)與聲(sheng)(sheng)流曳力(li)(li)的(de)共同作用(yong)，由聲(sheng)(sheng)波(bo)干涉作用(yong)形成(cheng)的(de)局部駐波(bo)場主要依靠聲(sheng)(sheng)輻(fu)射(she)力(li)(li)將(jiang)(jiang)顆(ke)粒(li)團聚在(zai)波(bo)節位置(zhi)，但隨著顆(ke)粒(li)尺寸(cun)的(de)減(jian)小，顆(ke)粒(li)無法繼續束縛，顆(ke)粒(li)操控(kong)將(jiang)(jiang)由依靠聲(sheng)(sheng)輻(fu)射(she)力(li)(li)轉變(bian)為聲(sheng)(sheng)流曳力(li)(li)。此外聲(sheng)(sheng)場強度(du)的(de)增加會增強顆(ke)粒(li)操控(kong)的(de)抗擾動能(neng)力(li)(li)。

  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(shi)驗(yan)采(cai)用聚(ju)苯(ben)乙烯顆(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)作為操(cao)控(kong)(kong)目標，選取了(le)半(ban)徑為150、75、37.5和(he)7.5μm的(de)(de)四(si)種顆(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)。由于(yu)聚(ju)苯(ben)乙烯顆(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)密(mi)度略大于(yu)水(shui)(shui)(shui)，將顆(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)倒入小(xiao)燒杯中加(jia)(jia)水(shui)(shui)(shui)，靜置(zhi)會沉入杯底，實(shi)驗(yan)時需要對顆(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)進行攪(jiao)拌，使其處于(yu)懸停狀態后吸入滴(di)管(guan)。在(zai)實(shi)驗(yan)前向(xiang)水(shui)(shui)(shui)槽中加(jia)(jia)入蒸餾水(shui)(shui)(shui)浸沒裝置(zhi)，調整兩(liang)個換(huan)能(neng)器(qi)(qi)孔徑平面距(ju)離(li)為1.5倍焦距(ju)(30mm)，連(lian)接好設備后，控(kong)(kong)制信號發生器(qi)(qi)發射頻率為1MHz的(de)(de)正(zheng)弦(xian)波(bo)連(lian)續信號，經(jing)過功(gong)率放大器(qi)(qi)后，示波(bo)器(qi)(qi)顯示輸入電壓(ya)的(de)(de)峰-峰值為13.6V。換(huan)能(neng)器(qi)(qi)開啟(qi)后，使用滴(di)管(guan)吸取包含顆(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)的(de)(de)水(shui)(shui)(shui)溶(rong)液，重復多次向(xiang)聲波(bo)輻(fu)射區(qu)(qu)域添加(jia)(jia)顆(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)，待顆(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)的(de)(de)束縛(fu)狀態穩(wen)定(ding)(ding)后進行實(shi)驗(yan)記錄。不同尺寸顆(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)的(de)(de)水(shui)(shui)(shui)下(xia)聚(ju)集(ji)(ji)狀態如下(xia)圖所示，半(ban)徑為150、75μm顆(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)在(zai)換(huan)能(neng)器(qi)(qi)中軸(zhou)(zhou)線(xian)區(qu)(qu)域被束縛(fu)，對應于(yu)聲場的(de)(de)局部駐(zhu)波(bo)場區(qu)(qu)域，部分顆(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)處于(yu)中軸(zhou)(zhou)上，其余顆(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)稍微(wei)偏離(li)中軸(zhou)(zhou)1～2mm，隨(sui)著顆(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)尺寸的(de)(de)減(jian)(jian)(jian)小(xiao)，顆(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)的(de)(de)聚(ju)集(ji)(ji)程(cheng)度減(jian)(jian)(jian)弱(ruo)，分散地分布在(zai)輻(fu)射聲場范圍(wei)內，當(dang)顆(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)半(ban)徑減(jian)(jian)(jian)小(xiao)到(dao)7.5μm時，顆(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)已(yi)經(jing)無法(fa)完成束縛(fu)，添加(jia)(jia)的(de)(de)顆(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)會隨(sui)著聲流向(xiang)兩(liang)側緩慢移動。同時顆(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)操(cao)控(kong)(kong)的(de)(de)穩(wen)定(ding)(ding)程(cheng)度也隨(sui)半(ban)徑減(jian)(jian)(jian)小(xiao)而減(jian)(jian)(jian)弱(ruo)。其中對尺寸為150μm的(de)(de)顆(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)操(cao)控(kong)(kong)最為穩(wen)定(ding)(ding)，可以跟隨(sui)夾持設備一同緩慢移動，但顆(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)尺寸減(jian)(jian)(jian)小(xiao)到(dao)37.5μm后，受(shou)到(dao)水(shui)(shui)(shui)域的(de)(de)微(wei)擾動便會有(you)粒(li)(li)(li)子離(li)開輻(fu)射區(qu)(qu)域，顆(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)尺寸越小(xiao)穩(wen)定(ding)(ding)性越差。

  圖：不同顆粒下(xia)的水下(xia)聚集狀態

  實驗結果：

  1、仿真(zhen)僅考(kao)慮了顆(ke)(ke)粒在(zai)(zai)水中(zhong)操控過(guo)程中(zhong)受到的(de)聲(sheng)(sheng)輻(fu)射(she)(she)力(li)(li)與聲(sheng)(sheng)流(liu)曳(ye)力(li)(li)。顆(ke)(ke)粒在(zai)(zai)駐波(bo)聲(sheng)(sheng)場(chang)(chang)中(zhong)會聚(ju)集并束縛在(zai)(zai)聲(sheng)(sheng)波(bo)波(bo)節位置，該位置對(dui)應于平均(jun)勢能場(chang)(chang)的(de)最小值。在(zai)(zai)顆(ke)(ke)粒的(de)縱向(xiang)聚(ju)集過(guo)程中(zhong)，局部駐波(bo)場(chang)(chang)的(de)縱向(xiang)聲(sheng)(sheng)輻(fu)射(she)(she)力(li)(li)為(wei)主導力(li)(li)，其數值遠(yuan)大于同向(xiang)的(de)聲(sheng)(sheng)流(liu)曳(ye)力(li)(li)；橫向(xiang)聚(ju)集取(qu)決于橫向(xiang)聲(sheng)(sheng)輻(fu)射(she)(she)力(li)(li)與曳(ye)力(li)(li)的(de)相對(dui)大小，在(zai)(zai)顆(ke)(ke)粒尺(chi)度變小的(de)過(guo)程中(zhong)，聲(sheng)(sheng)流(liu)曳(ye)力(li)(li)漸漸成為(wei)主導力(li)(li)，此(ci)時依靠聲(sheng)(sheng)輻(fu)射(she)(she)力(li)(li)將無(wu)法對(dui)顆(ke)(ke)粒進行(xing)操控。

  2、仿真(zhen)中流(liu)場(chang)分布(bu)沒有發(fa)生變(bian)化的前(qian)提下，聲(sheng)場(chang)強(qiang)度的改變(bian)，聲(sheng)場(chang)內任意位置處(chu)的兩種力(li)的相對大(da)小(xiao)不變(bian)，即(ji)合力(li)的方向不變(bian)，顆(ke)粒(li)的操(cao)控模式不變(bian)，合力(li)大(da)小(xiao)與聲(sheng)場(chang)聲(sheng)壓值的平方成正(zheng)比。但(dan)實際情況中，考慮顆(ke)粒(li)受(shou)到的重力(li)、浮力(li)及環境擾動(dong)后，聲(sheng)場(chang)強(qiang)度的增大(da)可以增強(qiang)顆(ke)粒(li)的操(cao)控與抗擾動(dong)能力(li)。

  3、水下顆粒(li)(li)(li)(li)操(cao)控實驗(yan)的結果(guo)驗(yan)證了第一(yi)條結論，換(huan)能器輻射形成的局部駐波場可以依靠聲輻射力穩定地聚集顆粒(li)(li)(li)(li)，但隨著顆粒(li)(li)(li)(li)的尺寸(cun)減(jian)小，顆粒(li)(li)(li)(li)分布逐(zhu)漸分散，聲輻射力不再作(zuo)為主導力，若想(xiang)對(dui)該尺寸(cun)下的顆粒(li)(li)(li)(li)進行聚集，需要依靠聲學微渦流等(deng)方式實現目標。

  安泰ATA-4014高壓功率放大器：

  圖：ATA-4014高壓功率放大器指標參數

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