中科院物理所
2015-08-05 09:30:33
华盛顿
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巴西圣保罗大学（University of São Paulo）的研究人员制造了一种新型声悬浮仪器，让人们比以往更容易控制悬浮在空中的小物体。超声波使一个聚苯乙烯颗粒悬浮。图片来源：M. Andrade/University of São Paulo
作为本周（发稿日）《应用物理快报》的特色封面，该仪器利用声波在顶部声源和底部凹形反射器之间的来回反射使聚苯乙烯颗粒悬浮于空中。改变反射器的方向便能使悬浮颗粒移动。以往的研究者们也制造过类似的装置，但是那些装置往往要求声源和反射器之间的“共振”距离是精确固定的，这就使自由控制悬浮物体变得困难。巴西研究组的新型装置让“非共振”声悬浮仪成为可能--也即声源和反射器之间的距离不需要固定。
这项突破为制造大型的声悬浮仪奠定了基础。大型仪器可用来处理有害物质和化学敏感性材料如药品，也可用来制造新奇有趣的高科技儿童玩具。“当今不少工厂使用数以百计的机器人搬运零件，”该课题组的带头人Marco Aurélio Brizzotti Andrade说，“那为什么不试着不触碰地搬移这些零件呢？”目前Andrade和他的同事们所设计的仪器只能移动重量轻的颗粒(他们测试的聚苯乙烯团直径约有3毫米)。
“我们下一步的计划是改进仪器使之可以移动较重的物体，”他说。
声悬浮仪的工作原理让聚乙烯颗粒悬浮的驻波模式。图片来源：M. Andrade/University of São PauloAndrade说，近年来，用声悬浮方法操控小颗粒的研究已取得了显著的进展。标准的声悬浮仪是由上部的圆筒向底部的凹形反射器发射高频声波，声波触及底部后被反射回来，反射波和入射波彼此叠加最终形成驻波。
驻波中声压最小点被叫做波节，如果波节处的声压足够大,便可以克服重力使物体悬浮.第一台声悬浮仪成功地将小颗粒固定在空中的某个位置，近几年该领域的新发展已使科学家能够对这些颗粒实现短距离移动。但这些成功均得来不易。迄今为止，每一种声悬浮仪在实现声悬浮前，声源和反射器之间的距离都要被精准地调试以实现共振。这意味着二者的距离需要精确地等同于声波半波长的若干倍。
而这样的距离只要改变一点点，驻波便不会形成，声悬浮现象也不会出现。而巴西研究组制造的新型悬浮仪则不受精准距离条件的限制。事实上，在颗粒飞行的时候，声源和反射器之间的距离在不断改变，而声悬浮现象却不受影响，Andrade说。“当你开启悬浮仪的时候，它就已经准备就绪了，”Andrade说。（美国物理联合会张铮铮）
文章“Particle manipulation by a non-resonant acoustic levitator”的作者是Marco A. B. Andrade, Nicolás Pérez and Julio C. Adamowski。（DOI: 10.1063/1.4905130）。
http://scitation.aip.org/content/aip/journal/apl/106/1/10.1063/1.4905130
文章的作者来自巴西University of São Paulo和乌拉圭Universidad de la República。
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