[发明专利]一种声波操控气动悬浮颗粒物的装置及方法

权利要求书

1.一种声波操控气动悬浮颗粒物的方法，其特征在于：包括以下步骤，

1)实验测出波导管(3)的实际若干阶谐振频率；

2)以波导管(3)的任意一阶谐振频率为信号发生器输出的音频信号的频率，改变信号发生器(1)输出的音频信号的电压振幅，音频信号经功率放大器(2)升高电压后输入扬声器(41)，改变扬声器(41)的输入电压振幅，扬声器(41)产生的小振幅声波经Helmholtz共振器(42)放大后，在波导管(3)内产生非均匀驻波声场，观察记录气动悬浮颗粒在波导管(3)内非均匀驻波声场中的行为演化特性，包括气动悬浮颗粒的碰撞、团聚、悬浮、沉降、脱除、混合、破碎、流化、传输特性；

3)确定气动悬浮颗粒由流化颗粒聚集团(52)状态向条纹形堆积的条纹颗粒聚集团(51)状态进行转变的临界电压振幅；

4)在低于临界电压振幅的数值范围内，逐渐减小或增加扬声器(41)的输入电压振幅，平衡调制气动悬浮颗粒受到的声辐射力和二次辐射力的相对大小，调控条纹颗粒聚集团的特性，改善气动悬浮颗粒的碰撞、团聚、沉降、脱除过程；

在高于临界电压振幅的数值范围内，逐渐减小或增加扬声器(41)的输入电压振幅，平衡调制气动悬浮颗粒受到的声辐射力和二次辐射力的相对大小，调控离散分布的流化颗粒聚集团的特性，改善气动悬浮颗粒的混合、破碎、流化、传输过程；

其中：

声辐射力的定义为：

对于等效为球形结构并且球半径远小于声波波长的实际悬浮小微粒，在空间笛卡尔三维直角坐标系标定的流体中，声场对单个小球产生的声辐射力表达为：

式中，分别对应x、y、z坐标轴的单位矢量；U^rad为声学势，与波导内量子声场的时空波动相关；p²和v²分别为振荡周期内瞬时声压p的平方的时间平均值和流体质点瞬时速度v的平方的时间平均值；a_p为悬浮颗粒的等效半径；к₀和к_p分别为空气介质和悬浮颗粒的可压缩系数；ρ_p为悬浮颗粒的密度；c_p为悬浮颗粒的声速；f₁和f₂为声学对比因子，与悬浮颗粒散射声波相关；因为公式(1b)描述了量子声场中波与粒子之间的声学势关系，结合公式(1a)可得，声辐射力大小与声压振幅大小的关系为正相关；

对于三维坐标简化出的一维平面驻波场，声场中的瞬时声压p和质点瞬时速度v分别为：

p(x,t)＝Pcos(ωt)sin(kx)(2a)

式中k＝2πf为波数，f为频率；

因为正余弦平方的时间平均为：

在位置一维条件下，通过公式(3)的时间平均方法，利用公式(2a)和(2b)分别计算声学势公式(1b)中的声压项p²和速度项v²；因此，位置一维声学势表达为：

对于位置一维驻波场，将公式(4)代入公式(1a)，整理后的声辐射力表达为：

式中，E_ac为声能密度；为改进的声学对比因子；

二次辐射力的定义：

在驻波声场中每个悬浮颗粒除了受到波腹和波节之间的声辐射力，不同悬浮颗粒之间的相互作用还会使悬浮颗粒本身受到附近其它悬浮颗粒的二次辐射力F′作用，表达为：

在式8中，θ′是两个悬浮颗粒中心的连线与声波传播方向的交叉角；D'是悬浮颗粒之间的距离；与驻波声场的角速度相同，ω＝2πf＝2πc₀/λ也是主流介质波动的角速度；F′由悬浮颗粒速度项和声压项组成；根据F′实际计算值的正负，相互作用力表现为吸引或排斥。

2.一种声波操控气动悬浮颗粒物的装置，用于实现权利要求1所述的一种声波操控气动悬浮颗粒物的方法，其特征在于：包括能产生正弦波音频的信号发生器(1)、功率放大器(2)、波导管(3)、安装在波导管(3)两端的两个相同的Helmholtz声源(4)、以及放入波导管(3)内的气动悬浮颗粒；

所述Helmholtz声源(4)包括扬声器(41)和Helmholtz共振器(42)，Helmholtz共振器(42)位于波导管(3)端口与扬声器(41)之间；

所述信号发生器(1)、功率放大器(2)和扬声器(41)依次相连，且组成闭合电学回路；

所述信号发生器(1)输出频率和电压振幅可调的音频信号，经功率放大器(2)升高电压后，向Helmholtz声源(4)的扬声器(41)供入交流电信号，扬声器(41)产生的小振幅声波经Helmholtz共振器(42)放大后，在波导管(3)内产生驻波声场；

所述信号发生器(1)输出的音频信号的频率为实验获得的波导管(3)的若干阶谐振频率之一，频率调控范围为1Hz～20000Hz；波导管(3)内声场的声压振幅调控范围为0Pa～1500Pa；

所述扬声器(41)的输入电压振幅包括特定的临界电压振幅；

在扬声器(41)的输入电压振幅低于临界电压振幅时，气动悬浮颗粒在波导管(3)内迁移、聚集成呈条纹形分布的离散的条纹颗粒聚集团(51)；

在扬声器(41)的输入电压振幅高于临界电压振幅时，气动悬浮颗粒在波导管(3)内迁移、悬浮、聚集成与波导管(3)内气体介质混合的流化颗粒聚集团(52)；

所述条纹颗粒聚集团(51)呈现为由颗粒堆叠组成的薄膜片状，垂直于波导管(3)内声波的传输方向；

所述流化颗粒聚集团(52)在波导管(3)内会整体移动，其外部轮廓动态改变；

且所述流化颗粒聚集团(52)在波导管(3)内呈现为若干个离散的聚集区域，颗粒在流化颗粒聚集团(52)内部快速移动；

所述波导管(3)为环形，周长为978mm；

所述临界电压振幅为7V；

所述气动悬浮颗粒为稻壳燃烧产生的圆柱形焦炭颗粒。