Trapping of particles by a wideband vortex ultrasonic field.pdf Введение Технологии акустической левитации имеют потенциал применения в медицине, экспериментальной химии, аддитивном производстве, сортировке частиц. В настоящие время ученые из разных стран предлагают свои варианты реализации левитации частиц акустическим полем. Например, в работах [1-3] предложены решения, основанные на взаимодействии двух или четырех встречно направленных узкополосных ультразвуковых решеток, расположенных по граням куба. Такая конфигурация позволяет левитировать частицы, управлять ими в трехмерном пространстве, производить сортировку по размеру. Однако использование узкополосного поля приводит к тому, что частицы в области левитации группируются в периодическую структуру, образованную узлами стоячих волн. В [4] предлагается реализация установки, основанная на описанном выше решении, которая захватывает, переносит и позиционирует электрические компоненты на печатную плату, а затем они припаиваются лазером. Ранее нами также были проведены эксперименты по узкополосной левитации малоразмерных частиц и объектов размерами больше длины волны [5]. В подобных системах для локализации области левитации частиц необходимо применение дополнительной излучающей решетки, обеспечивающей их перегруппировку между различными узлами стоячих волн. В работе [6] нами было показано, что применение широкополосных ультразвуковых сигналов позволяет без дополнительных источников сформировать локализованную область захвата частиц. Экспериментально подтверждено, что сигнал с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) подходит для акустической левитации. В случае использования широкополосного поля вдоль оси фокусировки возникает сила, обеспечивающая смещение частиц в центральную область. Однако две плоские противолежащие решетки не обеспечивают поле сил во всем объеме. Применение четырех плоских решеток, размещенных по граням куба, позволяет увеличить область захвата при фокусировке сходящихся цилиндрических волн, что снижает амплитуду поля в области фокуса относительно сходящихся сферических волн. В данной работе предлагается метод формирования широкополосного вихревого поля излучателями, размещенными на поверхности сферического пояса для создания поля сил, группирующего частицы в центральную область, где обеспечивается стабильный захват и левитация. Частица, попадая в область действия поля внутри сферического пояса, должна затягиваться в центральную область. Вихревая акустическая ловушка Предлагается широкополосная акустическая вихревая ловушка для левитации частиц в воздухе на основе решетки излучателей, размещенной на сферическом поясе. Для создания вихревого поля излучатели сдвинуты по радиусу на долю длины волны, пропорциональную азимутальному углу (угол соответствует увеличению радиуса на длину волны). В данном случае рассматривается длина волны для центральной частоты широкополосного сигнала. На рис. 1 представлено изображение предлагаемой решетки из 128 излучателей (назовем ее спиральной решеткой). Рассматривается сферический пояс размещения излучателей со средним радиусом 61 мм. Излучатели размещены так, чтобы разность фаз между первым и последним излучателем составляла . Такое размещение излучателей обеспечивает создание вихревого поля на центральной частоте. Для широкополосных сигналов поле должно оставаться приближенно вихревым. Рис. 1. Размещение ультразвуковых излучателей в спиральной решетке и схематическая визуализация вихревого поля Поскольку излучатели размещаются на сфере, то их поле сфокусировано в центре, но за счет вихревого характера изменения фазы в центре создается узел стоячих волн, в котором должен обеспечиваться захват частиц [7]. В случае монохроматического поля формируются кольца узлов стоячих волн, в которые тоже должны группироваться частицы. Предполагается, что применение широкополосных сигналов позволит обеспечить только один стабильный узел стоячих волн в центре. Математическое моделирование Рассмотрим спиральную решетку из 128 ультразвуковых излучателей, как показано на рис. 1. Считаем, что все излучатели в решетке излучают одинаковый сигнал, излучатели имеют широкую диаграмму направленности и, по сути, излучают сферические волны. Поле внутри сферического пояса, в линейном приближении, является суперпозицией полей каждого излучателя. Запишем результирующее поле акустического давления согласно решению волнового уравнения в запаздывающих потенциалах: , (1) где - излучаемый сигнал; - амплитуда поля излучателей; - координаты излучателя в - строке, - столбце; - азимутальный угол размещения излучателей; ; ; ; - количество столбцов; - количество строк; - диаметр апертуры излучателя; - средний радиус размещения излучателей; - точка наблюдения; - скорость звука. В качестве излучаемого сигнала рассмотрим циклически повторяемый широкополосный сигнал с ЛЧМ вида , где - время в интервале от 0 до ; - округление вниз; - период повторения сигнала; - произвольный момент времени; - нижняя циклическая частота сигнала; - верхняя циклическая частота сигнала. Проведено вычисление поля излучения спиральной решетки, согласно формуле (1), для скорости звука в воздухе 340 м/с. Рассматривалось излучение сигналов с линейной частотной модуляцией в полосе частот 30-50 кГц с периодическим повторением в интервале времени 1 мс (рис. 2). Минимальный радиус размещения излучателей составляет 57 мм, максимальный - 65 мм. В результате в центре системы формируется устойчивый узел стоячих волн. В целом фазовое распределение поля имеет вихревой характер. Рис. 2. Поле излучения сигналов с линейной частотной модуляцией спиральной решетки в момент времени 0.5 мс при периоде повторения сигнала 1 мс (а - амплитуда акустического давления, б - фаза волнового поля) Для визуализации смещения узлов стоячих волн проведен расчет поля (рис. 3, а) в зависимости от времени в точках, расположенных на прямой . По амплитуде поля (рис. 3, б) можно видеть, что узлы стоячих волн со временем смещаются к центру. Поскольку левитирующие Рис. 3. Поле излучения акустического давления спиральной решетки на прямой y = 0 (а - поле акустического давления, б - амплитуда акустического давления) в акустическом поле частицы захватываются в узлы стоячих волн, то следует ожидать, что они будут дрейфовать к центру системы в центральный узел, который стабильно поддерживается во все моменты времени. В момент времени 0.64 мс происходит резкое переключение частоты сигнала с максимальной на минимальную, что приводит к нарушению картины стоячих волн. Однако этот процесс не существенно влияет на центральный узел стоячих волн, частицы должны продолжать стабильно левитировать в центральной области. Экспериментальные исследования Для проверки возможности акустического захвата частиц в вихревом широкополосном акустическом поле была изготовлена экспериментальная установка на основе 128 ультразвуковых излучателей MA40S4/S (рис. 4), расположенных в спиральной решетке. Все излучатели подключались к общему источнику сигналов. При излучении монохроматического сигнала на частоте 40 кГц частицы левитировали в концентрических кольцах узлов стоячих волн (рис. 5, а). При излучении ЛЧМ-сигнала с полосой частот от 38 до 44 кГц частицы левитируют только в центральном узле (рис. 5, б). В экспериментах применялись частицы пенопласта (плотность 15 кг/м3) размером порядка 1 мм. Если частица изначально не попадает в центр, то она постепенно смещается в него, либо выбрасывается, если не располагается в одном из узлов стоячих волн. Рис. 4. Экспериментальная установка для левитации частиц в вихревом широкополосном ультразвуковом поле (а - экспериментальная установка, б - решетка излучателей) Рис. 5. Левитация частиц в монохроматическом поле на частоте 40 кГц (а) и в широкополосном ультразвуковом поле с полосой частот от 38 до 44 кГц (б) Заключение Предложен метод акустического захвата и левитации частиц в широкополосном вихревом поле. Экспериментально показано, что в широкополосном поле обеспечивается единственный стабильный узел стоячих волн для захвата частиц. Формирование вихревого поля осуществлено с помощью решетки излучателей, размещенных на сферическом поясе со смещением по радиусу для задания фазового сдвига. В полосе частот 38-43 кГц для сигналов с линейной частотной модуляцией сохраняется вихревой характер фазы волнового поля и обеспечивается стабильный единственный узел стоячих волн в центре. Полученный эффект может найти применение для бесконтактного захвата одиночных частиц и перемещения их в заранее определенную точку в целях исследования материалов, спектроскопии, дозировки химических реактивов.

Скачать электронную версию публикации