高压功率放大器在超声驻波场的水下颗粒操控中的应用

实验名称：高压功率放大器在超声驻波场的水下颗粒操控中的应用

研究方向：超声波控制

测试目的：

超声波产生的声辐射力可以实现对微小物体的操控。针对微米尺度颗粒在液体环境的操控问题，基于黏性介质中的声辐射力理论，建立由双凹球面聚焦超声换能器驱动下的水下颗粒操控模型。利用COMSOL软件仿真了模型的声场、声流场及颗粒操控动态过程，最后通过水下颗粒操控实验对仿真结果进行验证。研究发现，颗粒在水下操控过程受到声辐射力与声流曳力的共同作用，由声波干涉作用形成的局部驻波场主要依靠声辐射力将颗粒团聚在波节位置，但随着颗粒尺寸的减小，颗粒无法继续束缚，颗粒操控将由依靠声辐射力转变为声流曳力。此外声场强度的增加会增强颗粒操控的抗扰动能力。

测试设备：机械夹持装置，可以调节夹持换能器的距离及角度；凹球面超声聚焦换能器；多功能信号发生器；高压功率放大器(ATA-4014)；数字示波器；(6)有机玻璃材质透明水槽。

实验过程：

实验采用聚苯乙烯颗粒作为操控目标，选取了半径为150、75、37.5和7.5μm的四种颗粒。由于聚苯乙烯颗粒密度略大于水，将颗粒倒入小烧杯中加水，静置会沉入杯底，实验时需要对颗粒进行搅拌，使其处于悬停状态后吸入滴管。在实验前向水槽中加入蒸馏水浸没装置，调整两个换能器孔径平面距离为1.5倍焦距(30mm)，连接好设备后，控制信号发生器发射频率为1MHz的正弦波连续信号，经过功率放大器后，示波器显示输入电压的峰-峰值为13.6V。换能器开启后，使用滴管吸取包含颗粒的水溶液，重复多次向声波辐射区域添加颗粒，待颗粒的束缚状态稳定后进行实验记录。不同尺寸颗粒的水下聚集状态如下图所示，半径为150、75μm颗粒在换能器中轴线区域被束缚，对应于声场的局部驻波场区域，部分颗粒处于中轴上，其余颗粒稍微偏离中轴1～2mm，随着颗粒尺寸的减小，颗粒的聚集程度减弱，分散地分布在辐射声场范围内，当颗粒半径减小到7.5μm时，颗粒已经无法完成束缚，添加的颗粒会随着声流向两侧缓慢移动。同时颗粒操控的稳定程度也随半径减小而减弱。其中对尺寸为150μm的颗粒操控最为稳定，可以跟随夹持设备一同缓慢移动，但颗粒尺寸减小到37.5μm后，受到水域的微扰动便会有粒子离开辐射区域，颗粒尺寸越小稳定性越差。

图：不同颗粒下的水下聚集状态

实验结果：

1、仿真仅考虑了颗粒在水中操控过程中受到的声辐射力与声流曳力。颗粒在驻波声场中会聚集并束缚在声波波节位置，该位置对应于平均势能场的最小值。在颗粒的纵向聚集过程中，局部驻波场的纵向声辐射力为主导力，其数值远大于同向的声流曳力；横向聚集取决于横向声辐射力与曳力的相对大小，在颗粒尺度变小的过程中，声流曳力渐渐成为主导力，此时依靠声辐射力将无法对颗粒进行操控。

2、仿真中流场分布没有发生变化的前提下，声场强度的改变，声场内任意位置处的两种力的相对大小不变，即合力的方向不变，颗粒的操控模式不变，合力大小与声场声压值的平方成正比。但实际情况中，考虑颗粒受到的重力、浮力及环境扰动后，声场强度的增大可以增强颗粒的操控与抗扰动能力。

3、水下颗粒操控实验的结果验证了第一条结论，换能器辐射形成的局部驻波场可以依靠声辐射力稳定地聚集颗粒，但随着颗粒的尺寸减小，颗粒分布逐渐分散，声辐射力不再作为主导力，若想对该尺寸下的颗粒进行聚集，需要依靠声学微涡流等方式实现目标。

安泰ATA-4014高压功率放大器：

图：ATA-4014高压功率放大器指标参数

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审核编辑：汤梓红