聲懸浮技術的用武之地在哪

一提到懸浮，或許小伙伴們首先想到的是磁懸浮，這項技術已經廣泛應用于磁懸浮交通及磁懸浮工藝品等眾多領域。對于磁懸浮列車，其原理是通過電磁力實現列車與軌道之間的無接觸的懸浮和導向，使列車的速度得到質的提升。然而，我們今天的主角卻是另一種懸浮方式，它可能鮮為人知，這一懸浮方式與磁力無關，而是與聲波有關，借助聲波的“浮力”，水珠可以懸浮在空中。懸浮在半空中的藥滴

這聽起來是不是有點玄乎，正如著名科幻作家亞瑟·克拉克（Arthur C. Clark）所說的一樣：“任何足夠先進的技術都與魔法無異”。然而，魔法般的聲懸浮技術其實最早可以追溯到1866年。當時27歲的德國科學家孔特（Kundt）在做聲速的測量實驗的時候，意外地發現反應管內的塵埃顆粒在聲波下可以愉快地懸浮舞動。通過這些塵埃有規則的懸浮舞動，他敏感地發現了放射波和反射波疊加后的駐波場及聲懸浮現象。他的發現，引起了許多學者對聲場中的作用力的好奇，揭開了聲懸浮研究的序幕。

昆特用于測量聲速的諧振管，后人稱為“昆特管”（Kundt tube）

在講聲懸浮實現的原理之前，我們先來回想一下聲音的本質。根據初中的物理知識我們知道，聲音是由于空氣（或任何彈性介質）中分子的振動導致周圍分子振動而產生的波。簡單來說，聲懸浮是高聲強條件下的一種非線性效應，其基本原理是利用聲駐波與物體的相互作用產生豎直方向的懸浮力以克服物體的重力，同時產生水平方向的定位力將物體固定于聲壓的波節處。

聲懸浮原理圖

那么，駐波是怎樣形成的呢？波節又是什么呢？我們設想有一個超聲波聲源，超聲波射向另外一個反射面的距離是可以調節的，如果把這兩個之間的距離調節到半波長的整數倍，聲源處發出的波與反射回來的波相互疊加便可以形成駐波。下面這張圖便形象地展示了駐波的形成，藍色的和紫色的這兩束波疊加以后就形成了駐波，駐波就是咱們圖上的紅色的波形。在圖中我們可以發現有一些點是不振動的，這些點就被稱為波節，還有一部分點是振蕩的幅度最大，我們稱它為波腹。

經過研究人員的努力，目前已經能夠實現小顆粒、液滴甚至小昆蟲等的懸浮，但對高溫物體進行懸浮和定向的研究較少。超聲懸浮作為懸浮技術的研究熱點，如何提高其系統的懸浮穩定性，特別是高溫物體存在時系統的穩定性，是研究的重點和難點。2022年，中科院聲學所研發的用于高溫物體物性參數測量的超聲懸浮系統，綜合使用激光加熱、氣體托舉等手段，非接觸地實現了密度在10000 kg/m3以下的物體十幾厘米空間內的穩定懸浮。

聲懸浮下的小生物

為什么研究人員要熱衷于研究聲懸浮技術呢？其實，聲懸浮技術在很多行業都大有用武之地。在很多情況下，我們需要在無容器的條件下進行生產。比如微芯片的制造，芯片由于體積小，在懸?。o需被夾持）時更容易硬化和銳化；再比如因為某些材料具有腐蝕性并會與容器發生反應，這時候聲懸浮技術便可以實現在無容器條件下進行化學處理；在制藥行業，懸浮器也為藥物制造提供了一個無污染的空間。

但是，對于目前的超聲懸浮裝置仍存在許多缺陷與可改進之處，比如懸浮物體的尺寸難以突破聲波半波長，超聲懸浮裝置需要小型化、輕量化，需要引入應力測量系統以便研究超聲懸浮條件下的應力應變關系等。相信在不久的將來，隨著技術的進一步完善與發展，超聲懸浮將在科學研究和生產生活中發揮更大的作用和價值。
責任編輯：彭菁