声悬浮,听起来像是科幻电影中才会出现的高科技概念,但事实上,它正是近年来备受关注的一项前沿技术。作为一项令人惊叹的科技新兴领域,正逐渐走进人们的视野。
图 1 悬浮在空中的药滴
声悬浮,顾名思义,就是利用声波将物体“悬浮”在空中的技术。声悬浮技术最早可以追溯到1866年,当时27岁的德国科学家奥古斯特•昆特(August Kundt)在做声速的测量实验的时候,意外地发现反应管内的尘埃颗粒在声波下可以愉快地悬浮舞动。这就是声悬浮现象。他的发现,引起了许多学者对声场中的作用力的好奇,揭开了声悬浮研究的序幕。
图 2 昆特用于测量声速的谐振管,后人称为“昆特管”(Kundt tube)
简单来说,声悬浮是高声强条件下的一种非线性效应,这种看似不可思议的现象其实源自声波产生的压力差异和能量传递。要实现声悬浮,首先需要一个声波发生器,通常是超声波换能器或扬声器。这些设备能够产生高频的声波,通过合理控制声波的幅度、频率和方向,就可以产生足够强的驻波、驻波有波节(压力最小的地方)和波腹(压力最大的地方),在波节处声驻波与物体的相互作用产生竖直方向的悬浮力以克服物体的重力,同时产生水平方向的定位力将物体固定于声压的波节处。使得物体能够“漂浮”在空中。
图 3 声悬浮原理图
相比其他悬浮技术,声悬浮的主要优点有:对目标悬浮物质材料的限制极少;设备基础简单,实现难度小;悬浮能力强等。在科学家的努力之下,声悬浮“魔法”已经展现出越来越强大的力量,例如,在医学领域,声悬浮技术可以用于精准操控药物分子或细胞,帮助医生进行更精细的手术操作,提高治疗效果和减少风险;在工业领域,声悬浮技术可以用于无接触式搬运和装配,提高生产效率和安全性,同时减少人为误操作带来的风;在娱乐和展示领域,声悬浮技术可以用于创造独特的视听体验,例如悬浮音箱、悬浮灯光效果等,吸引更多观众和用户。
虽然目前的超声悬浮装置仍存在许多缺陷与可改进之处,比如悬浮物体的尺寸难以突破声波半波长,超声悬浮装置需要小型化、轻量化,需要引入应力测量系统以便研究超声悬浮条件下的应力应变关系等,但是随着技术的进一步完善与发展,相信在不久的将来超声悬浮将在科学研究和生产生活中发挥更大的作用和价值。
