密度、粘度等物性参数的传统测量方法大多需要借助容器并且要将测量仪器与待测样品直接接触。然而，在生物医药、国防工业等领域的某些特殊场景中，待测样品可能为高活性、放射性或高温熔融态物质，难以用常规方法在有容器的条件下进行处理或测量。无容器技术通过借助悬浮力场使材料不与容器壁接触，避免了器壁污染和材料对容器的作用，可用于高纯度、高活性、放射性和高熔点材料的高温测量和处理。
为此，中科院声学所超声学实验室博士生臧雨宸与其导师林伟军研究员等人提出了利用驻波场中悬浮小球的动力学特性反演相关物性参数的新思路。他们首先利用声辐射力势函数求解得到了任意对称驻波场中悬浮小球的三维声辐射力表达式，揭示了小球的轴向与横向振动频率对声场参数和物性参数的依赖关系。在此基础上，该研究团队搭建了驻波场声悬浮实验平台，对铝球、氮化硅球、氧化锆球、铁球、铜球和钢球成功实现了稳定悬浮和振动观测。相关成果在线发表于国际声学期刊Journal of the Acoustical Society of America。
图1 驻波场声悬浮实验平台（图/中科院声学所）
当小球偏离声轴时会受到声场施加的横向回复力作用。若偏轴距离较小，则这一回复力作用与偏轴距离成正比，从而使得小球在水平面内作简谐运动。根据理论计算结果，横向振动频率反比于小球密度的平方根。实验结果表明，在误差允许的范围内，这六种小球的横向振动频率近似与密度平方根的倒数成线性关系，该结果与理论预测关系相符。该研究有利于通过驻波场声悬浮实现物性参数的非接触测量。
图2 横向振动频率与小球密度的关系，散点图和红线分别对应实验结果和拟合结果（图/中科院声学所）
该研究得到国家自然科学基金(No.81527901)、国家重点研发计划(No.2018YFC0114900)、中科院青年创新促进会(No.2019024)和中国科学院声学研究所自主部署“目标导向”类项目(No.MBDX202113)的资助。
关键词：
驻波场声悬浮 振动频率 参数反演
参考文献：
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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