超聲懸浮的水滴（圖片來源：Argonne National Laboratory）

能讓物體懸浮的不僅有磁，還有聲

提到懸浮，大家或許會想到磁懸浮列車，其原理是通過電磁力實(shí)現(xiàn)列車與軌道之間的無接觸的懸浮和導(dǎo)向，使速度得到質(zhì)的提升。然而很多人可能都不知道，除了磁懸浮之外，還有一種聲懸浮技術(shù)。

(資料圖)

1866年，德國物理學(xué)家奧古斯特?昆特（August Kundt）在聲速測量實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)反應(yīng)管內(nèi)的塵埃顆粒在聲波下可以愉快地懸浮舞動，這就是聲懸浮現(xiàn)象。

高強(qiáng)度聲波產(chǎn)生的聲輻射力作用于物體，與物體的重力相平衡，使物體長時(shí)間懸停在空間中而不與容器壁面相接觸，這就是聲懸浮現(xiàn)象，聲懸浮避免了磨損和污染等問題。

相比其他懸浮技術(shù)，聲懸浮的主要優(yōu)點(diǎn)有：對目標(biāo)懸浮物質(zhì)材料的限制極少；設(shè)備基礎(chǔ)簡單，實(shí)現(xiàn)難度小；懸浮能力強(qiáng)等。

一個簡單的超聲懸浮設(shè)備（左），以及在懸浮狀態(tài)下超聲場的分布（圖片來源：wikipedia）

高溫下不穩(wěn)定？一個系統(tǒng)解決它

2022年，中國科學(xué)院聲學(xué)研究所的研究人員研制出一套用于高溫物體物性參數(shù)測量的超聲懸浮系統(tǒng)。

為了保證這套系統(tǒng)在懸浮物體的同時(shí)還能對其進(jìn)行激光加熱，也就是說，使物體被加熱產(chǎn)生相變（常見的相變就是固體→液體→氣體的變化了）后還能保持穩(wěn)定，就必須綜合考慮激光加熱、樣品相變、氣體擾流溫度場對聲場的影響，結(jié)合氣體托舉、激光加熱，通過設(shè)計(jì)換能器表面形狀、改善換能器帶寬，實(shí)現(xiàn)換能器的一致性，并通過優(yōu)化溫度場和聲場耦合參數(shù)，解決高溫、氣流速度和大小等因素對聲場的影響，使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定懸浮高溫物體并自我調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)。

高溫溫度場與聲場耦合穩(wěn)定聲懸浮系統(tǒng)示意圖（圖片來源：中科院聲學(xué)所）

該系統(tǒng)的核心裝置由兩兩相對的三組六個聲學(xué)換能器組成，配套控制器和控制軟件，可以穩(wěn)定懸浮金屬小球。該系統(tǒng)用聚焦激光，加熱處于超聲懸浮場中的小球，使其變?yōu)槿廴跔顟B(tài)。充分考慮高溫和氣流對聲場的影響后，通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)的諧振距離、功率等參數(shù)，可讓1800℃以上的高溫熔融物體保持穩(wěn)定懸浮狀態(tài)。同時(shí)，用一個低頻信號（低于200Hz）激勵液滴，測量其密度、黏性系數(shù)等多種參數(shù)，解決了高溫導(dǎo)致的常規(guī)聲懸浮測量手段失效的問題。

高溫溫度場與聲場耦合穩(wěn)定聲懸浮系統(tǒng)（圖片來源：中科院聲學(xué)所）

超聲懸浮作為懸浮技術(shù)的研究熱點(diǎn)，如何提高其系統(tǒng)的懸浮穩(wěn)定性，特別是高溫物體存在時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，是研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。以往，研究人員已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了小顆粒、液滴甚至小昆蟲等的懸浮，但較少對高溫物體進(jìn)行懸浮和定向。

被超聲懸浮起來的小生物們（圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]）

中科院聲學(xué)所研發(fā)的這套用于高溫物體物性參數(shù)測量的超聲懸浮系統(tǒng)，結(jié)合聲場和溫度場優(yōu)化分布和控制的研究，綜合使用激光加熱、氣體托舉等手段，可非接觸地實(shí)現(xiàn)密度10000 kg/m^3以下的物體（比如液滴、鋼球、銅球、氧化物金屬球）在十幾厘米空間內(nèi)的穩(wěn)定懸浮。

該系統(tǒng)在半導(dǎo)體制造、微機(jī)電系統(tǒng)、機(jī)械裝配、生物化學(xué)、藥物制備、凝固態(tài)物理學(xué)、地面太空實(shí)驗(yàn)研究等領(lǐng)域獲得廣泛關(guān)注，存在廣闊的應(yīng)用前景。

懸浮液滴（圖片來源：中科院聲學(xué)所）

在科學(xué)家的努力之下，聲懸浮“魔法”已經(jīng)展現(xiàn)出越來越強(qiáng)大的力量，相信聲懸浮技術(shù)未來會在各個領(lǐng)域施展出更大的“魔力”。