有趣的超声波悬浮平台，物体在声压波腹附近时，周围压力变化剧烈且对称，但净力为零，且此处不稳定，物体会被推开。
物体在声压波节附近时，由于声压梯度（从波腹到波节压力变化很大）的存在，物体会被“推"向压力更稳定的区域——即声压波节。

因此，声辐射力的合力方向总是指向声压节点（对于大多数常见材料，如液体、固体颗粒）。

有趣的超声波悬浮平台这是一种非常直观且奇妙有趣的非接触式悬浮技术。

核心概念：

超声波驻波悬浮，简单来说，就是利用高强度超声波在空气中形成的驻波声场，在其声压节点处捕获并悬浮微小物体（如液滴、颗粒、小昆虫等）的技术。

有趣的超声波悬浮平台 原理详解

1. 超声波的产生与传播

首先，需要一个超声波发射器（通常是压电陶瓷换能器），将其连接在驱动电路上，使其振动，发出频率很高（通常 >20KHz，常用20K-100KHz）的声波。

这种声波在空气中传播时，是一种纵波，即空气分子会在声波传播方向上发生疏密相间的振动，形成高声压区（密部）和低声压区（疏部）。

2. 驻波的形成

单独的一列声波无法稳定悬浮物体。关键步骤是形成驻波。

当超声波发射器发出的声波传播到远处的一个反射板时，会被反射回来。

如果调整发射器与反射板之间的距离（L），使其恰好等于超声波半波长（λ/2）的整数倍（即 L = n * λ/2），那么入射波和反射波就会发生干涉，形成一种看起来“静止"的波——驻波。

在驻波中，空间中会出现一系列固定不动的位置：

波腹：声压振幅最大的位置（振动最剧烈）。

波节：声压振幅为零的位置（几乎不振动）。

3. 声辐射力的产生（悬浮的关键）

当一个小物体（尺寸小于声波波长）被放入这个驻波声场中时，它会受到一种净作用力，称为声辐射力。

这种力来源于物体表面各处受到的声压不平衡。其机理可以简化理解（基于声波的伯努利效应和散射理论）：

物体在声压波腹附近时，周围压力变化剧烈且对称，但净力为零，且此处不稳定，物体会被推开。

物体在声压波节附近时，由于声压梯度（从波腹到波节压力变化很大）的存在，物体会被“推"向压力更稳定的区域——即声压波节。

因此，声辐射力的合力方向总是指向声压节点（对于大多数常见材料，如液体、固体颗粒）。

4. 稳定的悬浮

在垂直方向形成的驻波中，声压节点像一个个无形的“能量陷阱"或“势阱"。

重力会使物体向下坠落，但当它接近下方的某个声压节点时，强大的声辐射力会将其向上推回节点中心。

当向上的声辐射力与向下的重力达到平衡时，物体就会被稳定地“锁定"在某个特定的声压节点上，实现悬浮。

水平方向上，声场通常是对称的（如使用圆盘形换能器），物体也会被约束在声束的中心轴线上，从而实现三维空间的稳定捕获。

关键特点与条件

1、物体尺寸：必须远小于超声波波长（空气中20 kHz的波长约1.7厘米）。通常用于悬浮毫米级甚至微米级的物体（水珠、泡沫颗粒、小芯片、昆虫等）。

2、声波强度：需要较高的声强（通常超过150 dB）才能产生足以克服重力的声辐射力。但这对人体无害，因为超声波频率已超出人耳听觉范围。

3、介质要求：需要在空气（或其他流体介质）中进行，真空中无法实现，因为声波无法传播。

4、多重悬浮：由于驻波有多个等间距的节点，因此可以同时悬浮多个物体，它们会整齐地排列在不同高度的节点平面上。

系统基本构成

一个典型的超声波悬浮装置包括：

1、信号发生器：产生高频电信号。

2、功率放大器：将信号放大以驱动换能器。

3、超声波换能器：将电信号转换为机械振动，发射超声波。

4、反射板：位于换能器正对面，反射声波以形成驻波。距离可调以精确匹配驻波条件。

5、被悬浮物。

应用领域

1、材料科学：无容器处理，避免坩埚污染，用于研究超纯材料、过冷熔体、高温合金等。

2、分析化学：操控液滴作为“微反应器"，进行微量样品混合与分析。

3、制药学：无接触地操控和干燥对容器壁有粘附性的药物。

4、显示与交互：创造三维立体显示，用声场操控像素（可见光小球）。

5、生物技术：无损伤地捕获和操控细胞、昆虫等生物样品。

总结

超声波驻波悬浮的本质，是利用入射波与反射波干涉形成的稳定声场（驻波），其声压节点对微小物体产生的净声辐射力（声压梯度力），以此来平衡重力，从而实现非接触的捕获与悬浮。 它很好地展示了如何利用“不可见"的声波来操控“可见"的物体。