声悬浮无容器处理的实验研究及有限元分析

　　1 引言

　　在地面环境中,由于重力的作用,一般必须依靠容器来维持液体的形状,而液体与容器壁接触所形成的固)液界面会影响液体的物理化学性质以及测量精度。为此,人们研究出各种微重力无容器处理技术,声悬浮无容器处理便是其中之一。它实现了材料与容器壁的无接触状态,从根本上避免了由器壁引起的污染和异质形核,对研究液体的物理性质、过冷现象和凝固过程具有重要的科学意义。声悬浮利用声波产生的声辐射压力来平衡物体的重力,从而实现物体的悬浮,在各种悬浮技术中倍受青睐。声悬浮与发展成熟的电磁悬浮相比主要有两个优点,一是对处理材料没有电磁学性质上的特殊要求,原则上可以悬浮起任何性质的材料。二是悬浮与加热分开进行,可以避免过热产生的滴流现象,特别适用于低熔点合金的无容器处理。声悬浮有助于探索和发现材料制备加工过程中内在的普遍规律,为模拟外层空间环境中高性能材料的制备创造技术条件。本文从声悬浮的基本原理出发,结合实验过程中的一些规律,采用有限元方法对声场进行计算和模拟,获得一些有益的数据资料和结论。

　　2 实验研究

　　声悬浮是高声强条件下的一种非线性现象,它是利用声波产生的声辐射压力来平衡物体的重力,实现物体悬浮的。声辐射压力是声压的时间平均值,在线性声学范围内,声压随时间呈周期性变化,声压在一个周期内时间的平均值为零。但在高声强条件下,声能密度很大,声场中各点的声压、密度的变化量及质点速度均不能再当作小振幅线性声学处理。这会在声压中引起一个“直流”项,这一项的时间平均值具有固定的方向和大小,从而产生声辐射压力。当物体在声场中所受的声辐射压力等于其重力时,便可以悬浮起来。可见,高声强是实现物体悬浮的重要条件之一。King计算了理想流体中小球受到的声辐射力,计算表明,驻波产生的声辐射力远远大于行波产生的声辐射力。所以在声悬浮实验中普遍采用驻波。

　　图1是自行研制的单轴式超声悬浮系统结构简图。超声波发生器的型号为H66MC,输出频率范围是18 kHz~20 kHz,功率范围是0W~300W。超声波发声器将220V的交流电转换为超声频电振荡,再经压电式换能器转化为机械振动。换能器输出端的振动幅值比较小,需经阶梯形变幅杆将振幅放大。要想提高变幅杆的放大倍数,需要变幅杆输出端的直径小一些,但为了使声波能够较好地向空气中传播,必需使发射端的直径d满足d≥λ0,其中λ0是空气中的波长[1]。为解决这一矛盾,在变幅杆的输出端连接一个圆锥形的发射盘,它在不减小变幅杆放大倍数的同时,还能使声波较好地向空气中辐射。声波在反射端与发射端之间经过多次反射迭加之后放大并形成驻波。反射端与发射端之间的距离是可调的。当二者之间的距离L达到某些特定值(一般在半波长的整数倍附近)时,声场处于谐振状态,声场强度达到相应的峰值,这时声场的悬浮能力最强。按照谐振距离从小到大的顺序依次称这些谐振状态为模式1、模式2、模式3等。使声场工作在谐振状态是获得声悬浮所需的高声强条件的重要手段之一[2]。反射端与发射端之间的声场并非简单的平面驻波,它在水平方向也具有声压梯度,产生水平方向的回复力,使样品能够稳定悬浮在中心轴上,而不会在水平方向随意摆动[3]。为了便于样品的放入和观察,整个声悬浮实验在一个开放的空间进行。图2是模式2下同时悬浮两个直径为3mm钢球时的实物照片。在同一模式下,悬浮同一样品,如果反射端的几何形状不同,所需的最小输入电功率不同。所需的最小输入电功率越小,说明悬浮器的悬浮能力越强。分别对平面、凹球面、锥面三种反射器进行实验,图3是不同反射器在不同模式下悬浮直径为3mm的钢球所需的最小输入电功率。