将物体悬浮在半空中这可能看起来像是科幻小说中的情节，但实际上它是一个科学存在。通过一种被称为声悬浮 的物理现象，使用声波将小物体举起并漂浮起来是悬浮物体的一种方法。为了了解是否可以改进声悬浮器设计，Paul Scherrer 研究所的开发工程师 Lothar Holitzner 通过一种循序渐进的多物理场仿真创建了一个逼真的声悬浮器模型。
使用波悬浮物体
只要产生足够强的驻波，声波就能够将小物体(固体、液体和重气体)举升到周围环境(空气或液体)中。为了在声悬浮装置中产生驻波，通常会布置两个扬声器，一个作为反射器的扬声器位于顶部，另一个作为换能器的扬声器位于底部，两者之间有空间。当声音从这两个表面反弹时，组件的凹形表面有助于更强烈地集中声音。当换能器和反射器被放置在适当的距离时(扬声器产生的声波略高于可听范围)，发射和反射的声波会相互干扰，从而产生驻波。
驻波有波节(压力最小的地方)和波腹(压力最大的地方)。这些波节对声悬浮至关重要：在波节上，声压基本上可以抵消重力并让小物体漂浮。
一个简化的声悬浮装置中的驻波图形示例。
声悬浮在地球之外和地球上的应用
在 20 世纪 80 年代，美国宇航局和欧洲航天局(ESA)使用声悬浮来研究微重力环境中液滴的形成和运动，帮助更深入的理解例如行星和恒星演化背后的理论。在太空中，可以在航天器内的气体环境中进行这种悬浮。如今，在地球上，我们可以创造微重力条件，帮助工程师复现过去只能在航天器上进行的实验。微重力条件在声悬浮中特别有用，因为平衡重力所需要的声辐射压力非常小。
在地球上使用这种系统的一个优点是能够在没有容器的条件下执行某些技术。在无容器处理中，声悬浮用于制造微芯片。由于芯片体积小，在悬浮（无需被夹持）时更容易硬化和锐化。某些类型的化学处理在无容器条件下也能更好地工作，因为某些材料具有腐蚀性并会与容器发生反应。在制药行业，悬浮器为药物制造提供了一个无污染的空间。
由声悬浮器悬浮在半空中的药滴。图片属于公共领域，由美国能源部提供，通过 Flickr Creative Commons 共享。
当然，将更大的物体悬浮起来会扩大其应用领域。为了扩展声悬浮器的功能，瑞士 Paul Scherrer 研究所的 Lothar Holitzner 创建了一个循序渐进的流程来模拟一个逼真的、经过改进的声悬浮器。他在 COMSOL 用户年会 2018 洛桑会议上通过 PPT 展示了他的工作。
Holitzner 说，声悬浮器的发展引起了研究人员的兴趣并已经建立了各种模型来计算它们，例如类比模型或各种有限元模型。然而，目前大多数模型的问题在于它们只解决了悬浮器的某些方面问题(如机械细节)。缺少的是“在同一个多物理场模型中对所有相互作用的完整描述”，Holitzner 解释说。为了填补这一空白，他使用 COMSOL Multiphysics® 软件建立了一个完整的模型。
使用 COMSOL Multiphysics® 模拟倒置声学悬浮器的 6 个步骤
Holitzner 受到启发，设计了声悬浮器作为中子散射实验的样本环境，例如小角度中子散射 (SANS) 或 X 射线散射实验，这两个实验在瑞士的 Scherrer 研究所都可以实现。
在设计悬浮器本身之前，Holitzner 考虑了悬浮样品的设计参数。由于希望模型的设计既实用又符合实际，他研究了现有的悬浮器以及它们的使用方式。最终，他决定样本量应尽可能大，这可以帮助他确定换能器频率应在较低的超声波范围内，约为 22 kHz（一种不可听声音）。然后他又提出了一个问题“这个设备是不是应该能悬浮固体和液体样品？”带着这个问题，他最终设计了一个创新的换能器。
在一个典型的声悬浮装置中，当连续的液体样品接触换能器时，样品会雾化。Holitzner 意识到，如果想让他的悬浮器同时举升固体和液体样品，他需要改变方向。换句话说，就是把声悬浮器倒过来，将换能器放置在反射器上方。
做出这个决定后，他受到 EG Lierke 设计的 20 kHz 参考模型草图的启发。根据参考资料，他建立了一个新的压电换能器原型（这个谐振器是机械耦合的），将 22 kHz 的频率向下辐射到反射器。他用一个压电堆代替了压电对，以降低电压，并调整了频率。然后，他将直径为 4 mm 的球形固体样品放置在换能器下方，并逐步改进了悬浮器。
倒置的声悬浮器。图片由 Lothar Holitzner 提供。
第 1 步：组装换能器
首先，Holitzner 使用 COMSOL 软件附加的结构力学模块进行了预应力稳态研究。然后，他用夹紧螺钉（使中心螺栓处于预紧状态）对换能器的环进行了轴向预加载。在压电电极开路的情况下，计算出的电压（即悬浮电位）可以显示机械预载荷。
螺栓预紧后的电压和轴向应力。图片由 Lothar Holitzner 提供。
第 2 步：确定换能器几何形状
接下来，Holitzner 进行了特征频率研究：
- 检查预应力换能器的自然振荡
- 排除换能器的倾斜和钟摆共振
同样在这个阶段，他通过调整换能器的几何形状将共振频率调至 22 kHz，然后将速度节点施加到在与固定法兰相同的水平面上。
换能器的总位移(振幅)，特征频率为 22,002 Hz，变形比例因子为 500。图片由 Lothar Holitzner 提供。
19,963 Hz 时的非预期振荡，变形比例因子为 130。图片由 Lothar Holitzner 提供。
第 3 步：振动预应力换能器
在 AC/DC 模块的帮助下，Holitzner 进行频域研究，将换能器振动到谐波振荡。请注意，在此步骤中，振幅共振曲线的形状表明了换能器材料中的瑞利阻尼。
使用声学模块，他还计算了以下部分之间的声-固耦合作用：
- 换能器
- 反射器
- 声悬浮场
- 固体样品
振荡换能器的最大功率辐射到气体域中。当反射器和声呐电极面之间的距离被调谐到最大声阻抗的共振时，就会发生这种情况，如下图左侧所示。此外，Holitzner 使用声驻波中的 5 个波节检查了优化的强声场，将样品球放置在第三个波节中，然后能够看到频率相关功率从电极到悬浮声场的传输。
22,000 Hz 时的位移幅度 z 分量。图片由 Lothar Holitzner 提供。
从压电电极到悬浮声场的功率传输。输入是电功率，根据压电电流和电压计算得出；输出是声辐射功率，在声呐电极面边界处计算得出。图片由 Lothar Holitzner 提供。
第 4 步：检查换能器运动
接下来的研究是瞬态研究，在已解析的运动序列中检查换能器在共振频率 (22 kHz) 的振荡。在下图中，显示了换能器中的轴向应力，蓝色区域表示压缩应力，红色区域表示张力。
换能器位移场（z 分量）显示的压电电压。图片由 Lothar Holitzner 提供。
第 5 步：扫描样品位置
接下来，Holitzner 重点研究了声悬浮模型的固体样本部分，它被声场产生的声辐射压力推入了声压波节。使用压力声学，频域 接口，他在样品表面定义速度，从而得到样品表面上的垂直力。
然后，他通过对声压波节域上的垂直样本位置进行参数扫描来研究悬浮力的变化发展。然后将这个力的发展用作下一个(也是最后一个)步骤的输入。
第 6 步：计算样本力平衡
Holitzner 通过关注网格找到了固体样品的力平衡。他基于软件中的移动网格创建了气体域的网格，因为它能使样本域改变位置。然后，他能够使用力平衡方程计算最终的样品垂直位置，并以指定位移移动样品。样品周围的网格相应变形。
然后，Holitzner 用新的样本位置重新计算了压力声场。这证实了样品的重量和表面的垂直声辐射力之间的力平衡。
通过对网格和几何进行的研究找到固体样品的平衡。图片由 Lothar Holitzner 提供。
通过循序渐进的建模方法，Holitzner 可以密切研究声悬浮器不同阶段的多种物理场现象，并发现进一步改进设计的机会。正如建模过程所示，这可以帮助了解声悬浮器的基本特性，例如从压电电极到悬浮声场的频率相关的功率传输、换能器组件的机械应力和变形、用于悬浮样品部件的压力和力，样品的位置如何改变力的发展，等等。
下一步
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