高壓功率放大器在超聲駐波場的水下顆粒操控中的應用

　　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：

　　超聲波產生的聲輻射力可以實現對微小物體的操控。針對微米尺度顆粒在液體環境的操控問題，基于黏性介質中的聲輻射力理論，建立由雙凹球面聚焦超聲換能器驅動下的水下顆粒操控模型。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：

　　實驗采用聚苯乙烯顆粒作為操控目標，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：不同顆粒下的水下聚集狀態

　　實驗結果：

　　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。顆粒在駐波聲場中會聚集并束縛在聲波波節位置，該位置對應于平均勢能場的最小值。在顆粒的縱向聚集過程中，局部駐波場的縱向聲輻射力為主導力，其數值遠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大小，在顆粒尺度變小的過程中，聲流曳力漸漸成為主導力，此時依靠聲輻射力將無法對顆粒進行操控。

　　2、仿真中流場分布沒有發生變化的前提下，聲場強度的改變，聲場內任意位置處的兩種力的相對大小不變，即合力的方向不變，顆粒的操控模式不變，合力大小與聲場聲壓值的平方成正比。但實際情況中，考慮顆粒受到的重力、浮力及環境擾動后，聲場強度的增大可以增強顆粒的操控與抗擾動能力。

　　3、水下顆粒操控實驗的結果驗證了第一條結論，換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，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力，若想對該尺寸下的顆粒進行聚集，需要依靠聲學微渦流等方式實現目標。

　　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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