驻波声场中悬浮临界密度及稳定性研究

发布时间：2021-10-13 21:43

　　本文以声场中物体为研究对象,理论上得到行波和驻波场中的声辐射压力方程.在驻波声场中引入临界悬浮密度概念,可作为物体能否在非线性声场中悬浮的判据,同时给出谐振腔移动速度的最大范围.更进一步,以实验参数作为数值计算的输入来指导实验,并结合实验结果讨论了驻波声场中样品密度和大小、发射面和反射面形状以及两者之间的距离、反射面的尺寸等因素对物体悬浮稳定性的影响,发现当物体尺寸和密度确定时,调控好谐振腔的长度,增加波腹处的声压是提升声悬浮稳定性的有效手段. 

【文章来源】：大学物理. 2020,39(05)

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

数值计算得到的5.9 cm直径喇叭辐射端和10 cm边正方反射端的驻波声场声压级分布

形成驻波的条件不仅要求两列波频率相同,传播方向相反,且要求两列波的传播相位在同一空间点上相差半个周期,才能够达到最好的驻波效果.在实验中发现当腔长度为半波长6倍时,如图2可以悬浮6个泡沫小球,当增长至半波长7倍时,可悬浮5个泡沫小球,当腔长大于半波长8倍时,只能悬浮3个泡沫小球或更少.这是因为,谐振腔长度的增加会导致声波衰减损失增加,从而破坏驻波声场的结构.但如果谐振腔的长度很短,不利于实验操作,因此本文选择半波长6倍距离3.675 cm作为谐振腔长度,以保证腔内轴线上驻波声场的稳定结构.2.3 辐射面与反射面形状

实验中分别选择直径为3.8 cm,5.3 cm,6.1 cm的三个半球面作为反射面,图5(a)、5(b)、5(c)分别为总发射源功率一样的条件下,数值计算得到的声压分布.通过比较发现,图5(a)存在更多可以稳定悬浮的区域,即反射面较小时存在更多悬浮区域.此外,图5(a)、5(b)、5(c)中,高压峰值与低压节点的压强差分别为:1.12 Pa、1.03 Pa和0.99 Pa,即对于较小的反射面更容易形成更深的势阱来束缚悬浮物,悬浮稳定性更强.而对应于3个不同尺寸反射面区域的轴线上最大声压级基本保持在88～92 dB.实验中,当泡沫小球放入直径为3.8 cm半球面反射面的声场中可以轻松稳定悬浮3个以上样品,且水平面移动范围较大;而其他两种半球面悬浮样品数极少,且稍微移动反射面样品即会脱落.计算和实验结果均表明反射面的尺寸越小对声波的聚拢效果就越强,实际上,通过小的反射面增加了波腹处的声压,可以形成更深的势阱提升悬浮的稳定性.

【参考文献】：
期刊论文
[1]运用声悬浮现象测量声速的演示实验[J]. 黄学东,俞嘉隆,乔卫平.  大学物理. 2005(11)
[2]声悬浮研究新进展[J]. 解文军,魏炳波.  物理. 2002(09)
[3]强驻波声场对微小颗粒群作用的实验研究[J]. 吴嘉,席葆树,许宏庆.  流体力学实验与测量. 2000(02)



本文编号：3435454