聲懸浮

聲懸浮技術是地面和空間條件下實現材料無容器處理的關鍵技術之一，和電磁懸浮技術相比，它不受材料導電與否的限制，且懸浮和加熱分別控制，因而可用以研究非金屬材料和低熔點合金的無容器凝固。

基本介紹

• 中文名：聲懸浮
• 特點：懸浮較穩定，容易控制
• 原理：用物體受到的聲輻射力

歷史

1866 年，德國科學家孔特（Kundt）首先報導了諧振管中的聲波能夠懸浮起灰塵顆粒的實驗現象。

1933 年波蘭物理學家巴克斯（Bücks）等人利用聲輻射力作用下水霧的分布實現了聲場可視化，並成功地懸浮起多個直徑為 1~2mm 小水滴。

1934 年，加拿大物理學家金（King）計算了理想流體中剛性小球受到的聲輻射力，從而揭示了聲懸浮是高聲強條件下的一種非線性現象。

1964 年，美國明尼蘇達州立大學的漢森（Hanson）等人根據金的理論設計建造了一台用於單個液滴動力學行為研究的聲懸浮裝置。

1975 年，美國科學家威馬克（Whymark）將聲懸浮用於空間實驗的定位，並研究了鋁、玻璃及聚合物在無容器條件下的熔化和凝固過程。

現在，人們可以通過聲懸浮方法，實現各種金屬材料、無機非金屬和有機材料的無容器處理，開展液滴動力學、材料科學、分析化學和生物化學等方面的研究。

原理

聲懸浮是高聲強條件下的一種非線性效應，其基本原理是利用聲駐波與物體的相互作用產生豎直方向的懸浮力以克服物體的重量，同時產生水平方向的定位力將物體固定於聲壓波節處.聲懸浮技術分為三軸式和單軸式兩種，前者是在空間三個正交方向分別激發一列駐波以控制物體的位置，後者只在豎直方向產生一列駐波，其懸浮定位力由圓柱形諧振腔所激發的一定模式的聲場來提供。

聲懸浮儀的工作原理

特點

聲懸浮的主要特點是對試樣的電磁性能沒有特殊要求，懸浮較穩定，容易控制。電磁懸浮要求試樣能夠導電，靜電懸浮則需要對試樣的帶電量和懸浮電壓進行精確控制，氣動懸浮橫向穩定性較差，光懸浮試樣的尺寸通常在 150µm 以下。

套用

聲懸浮技術可以模擬空間無容器狀態，用於材料凝固理論和製備工藝的研究。水通常在 0℃結冰，而我們在實驗中發現，聲懸浮條件下水滴可以冷卻到−32℃仍然保持液體狀態。這種物質在溫度低於熔點而仍然保持液體狀態的現象稱為過冷現象，其溫度與熔點的差值稱為過冷度。熔體能夠實現過冷是因為結晶需要經歷一個形核階段。在常規條件下，熔體與容器壁的接觸，可以促進晶體的異質形核，因而過冷度很小，幾乎在溫度降至熔點即開始凝固。通過懸浮無容器處理，可以避免熔體與器壁的接觸，使晶體的形核變得困難，從而實現深過冷。這類似於降雨過程，除了水蒸汽要求達到過飽和狀態，還需大氣中灰塵作為凝結核。過冷態的水處於亞穩狀態，一旦開始結冰，其凝固速率將遠遠大於常規條件下凍的生長速率。實驗測定發現，在−24℃的過冷水中，冰枝晶的生長速率可達 170 mm/s，整個水滴的凝固在瞬間完成。懸浮條件下晶體的形核及生長特徵為熔體的形核規律研究提供實驗依據。

懸浮無容器處理是實現深過冷快速凝固研究的重要手段。

近年來，聲懸浮技術還被廣泛用於微劑量生物化學研究。它可以消除容器對分析物的吸附，保持細胞的自然生存環境，避免器壁對分析檢測信號的干擾。