密度、粘度等物性參數的傳統測量方法大多需要借助容器并且要將測量儀器與待測樣品直接接觸。然而，在生物醫藥、國防工業等領域的某些特殊場景中，待測樣品可能為高活性、放射性或高溫熔融態物質，難以用常規方法在有容器的條件下進行處理或測量。無容器技術通過借助懸浮力場使材料不與容器壁接觸，避免了器壁污染和材料對容器的作用，可用于高純度、高活性、放射性和高熔點材料的高溫測量和處理。
為此，中科院聲學所超聲學實驗室博士生臧雨宸與其導師林偉軍研究員等人提出了利用駐波場中懸浮小球的動力學特性反演相關物性參數的新思路。他們首先利用聲輻射力勢函數求解得到了任意對稱駐波場中懸浮小球的三維聲輻射力表達式，揭示了小球的軸向與橫向振動頻率對聲場參數和物性參數的依賴關系。在此基礎上，該研究團隊搭建了駐波場聲懸浮實驗平臺，對鋁球、氮化硅球、氧化鋯球、鐵球、銅球和鋼球成功實現了穩定懸浮和振動觀測。相關成果在線發表于國際聲學期刊Journal of the Acoustical Society of America。
圖1 駐波場聲懸浮實驗平臺（圖/中科院聲學所）
當小球偏離聲軸時會受到聲場施加的橫向回復力作用。若偏軸距離較小，則這一回復力作用與偏軸距離成正比，從而使得小球在水平面內作簡諧運動。根據理論計算結果，橫向振動頻率反比于小球密度的平方根。實驗結果表明，在誤差允許的范圍內，這六種小球的橫向振動頻率近似與密度平方根的倒數成線性關系，該結果與理論預測關系相符。該研究有利于通過駐波場聲懸浮實現物性參數的非接觸測量。
圖2 橫向振動頻率與小球密度的關系，散點圖和紅線分別對應實驗結果和擬合結果（圖/中科院聲學所）
該研究得到國家自然科學基金(No.81527901)、國家重點研發計劃(No.2018YFC0114900)、中科院青年創新促進會(No.2019024)和中國科學院聲學研究所自主部署“目標導向”類項目(No.MBDX202113)的資助。
關鍵詞：
駐波場聲懸浮 振動頻率 參數反演
參考文獻：
Zang Yuchen, Chang Qin, Wang Xiaozhen, Su Chang, Wu Pengfei, Lin Weijun, Natural oscillation frequencies of a Rayleigh sphere levitated in standing acoustic waves, The Journal of the Acoustical Society of America, 2022, 152(5): 2916-2928. DOI: 10.1121/10.0015142.
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