基于COMSOL的声悬浮模拟仿真

基于COMSOL的声悬浮模拟仿真

卜艺浦

江苏省泰兴中学江苏泰兴225400

摘要：本文主要研究超声悬浮中液滴的悬浮情况，利用COMSOL有限元分析软件建立超声悬浮仪器的物理模型，模拟驻波悬浮的声场，从而得到声压与声压级的分布频域。通过改变悬浮液滴的形状和尺寸，发现声压分布随着液滴参数的变化而发生相应的改变。通过研究液滴并对这些液滴在声场中的声压分布进行分析，最终得出液滴在驻波场中稳定悬浮所需的条件。

关键词：声悬浮；声压；声辐射力；液滴；COMSOL有限元分析软件

1.引言

超声悬浮是实现无容器环境的一种方便快捷的技术，无容器环境对于材料、生化分析和样品制备非常重要，因为它避免了样品与容器壁的接触，从而隔绝了众多污染源。相较于其他类型的悬浮，声悬浮具有很多方面的优势。与磁悬浮和电悬浮相比，声悬浮技术对样品是否带电或是否具有磁性没有要求，也不会使样品产生热效应；对比光悬浮，声悬浮不必特意使用特定材质样品，比如石墨烯等，也能产生较大的悬浮力；声悬浮也比气流悬浮技术更稳定可控。另外，声悬浮可广泛应用于蛋白质结晶、液态合金深过冷快速凝固研究、液滴动力学、微剂量生化研究，以及胶体液滴的干燥等领域[1]。

超声悬浮一般分为有两种，一种为超声近场悬浮[2]，另一种是驻波悬浮[3]。所谓近场悬浮，就是依靠物体下方发射器发射高频声场产生声辐射力与物体自身重力平衡使物体悬浮，这种悬浮方式多应用于无接触条件下移动物体的研究。驻波悬浮仪器一般由超声波发射器、换能器、变幅杆、发射端、反射端、石英管及调谐机构组成，在发射端与反射端之间形成驻波场，从而产生声辐射力使物体悬浮。所谓驻波，就是指振幅相同、传输方向相反的两个波共同形成的波，也就会有两个方向相反的压强，对其中的物体产生方向相反的两个力。一般地，两个声波产生的声压相抵消，和压为0的位置称为波节点，悬浮样品在波节点处受到声辐射力与重力相抵消而稳定悬浮。声悬浮仪器产生的声驻波就是这样与物体相互作用，同时水平方向的声辐射力作为定位力把悬浮物固定悬浮于驻波场的波节点处。驻波产生的声辐射力与（R/λ）3成正比，行波与（R/λ）6成正比，其中R表示物体尺寸，λ表示波长，声悬浮一般要求物体尺寸远小于半波长，因此驻波产生的力比行波大得多[4]。

目前声悬浮技术只能悬浮一些体型质量较小的样品，不能悬浮体型质量较大的物体，这也就造成实验应用的局限性，无法应用于大物体或大剂量的实验。尽管近场悬浮技术有望能在目标质量与尺寸的限制上有所突破，但其技术还不够完善。驻波悬浮技术，相较于近场悬浮，已经是比较成熟的声悬浮技术，能够悬浮密度最大的元素铱并已经在生物医学等领域得到应用[5]。

另外，液滴是自然界中常见的流体单元，可以作为研究对象或实验载体。在生物化学反应中，液滴可作为微反应溶器或是微生物的培养基；在工业应用中，液滴性质影响着液态合金的深过冷快速凝固。换言之，液滴的力学行为对实际应用产生重大影响。为了分析液滴在无容器环境中的力学行为，本文利用COMSOL有限元分析软件对液滴在声场中进行模拟实验，并进行了相关理论分析和总结。

2.声悬浮对液滴形态的影响

2.1COMSOL模拟计算方法

COMSOL有限元分析软件是可以分析耦合物理场的软件。利用COMSOL有限元分析软件的模拟仿真，可以更加直观的观察到一些物理现象，更加方便地得到相关的实验数据，并随时作出参数的调整。利用其进行仿真模拟，能为现实中的实验提供理论数据依据。该软件模拟研究声悬浮技术，由一个声波发射传感器和弧型反射面构成，需要设定一些必要的参数,比如声场频率f0，发射端与反射端的距离H，发射器宽度Dr等（见表1），建立声悬浮模型（如图1）。通过网格构建划分，以有限元分析法便可以计算出驻波场的声压分布，悬浮样品的内外声压分布情况，并能比较悬浮物性质的不同对声场声压分布的影响。

3.结论及展望

本文通过利用COMSOL有限元分析软件对超声悬浮液滴进行了模拟仿真实验。实验发现，液滴在声场中对声压分布产生影响，不同形状（球形和椭球形）和大小的液滴在声场中对声场的影响有所不同。通过研究不同形状的液滴的情况，了解到椭球体的液滴不同于同体积球体液滴，上下端尺寸的缩小而更有利于悬浮。通过比较不同尺寸的液滴在声场中的情况，发现尺寸越大的液滴由于在声压场的正压与负压区域的跨度就越大，因此在垂直方向的声辐射力容易相抵消，也就更难产生能够平衡液滴自身重力大小的声辐射力。

参考文献

[1]沈昌乐,解文军,洪振宇,魏炳波.声悬浮技术的发展及应用[J].现代物理知识,2010,22(3):10-13

[2]李世彪.超声近场悬浮现象的实验研究[D].硕士:大连理工大学,2013

[3]冯大圣,焦锋,陈娟,王应彪,杜宝玉.单轴式声悬浮的实验研究及数值模拟分析[J].材料导报,2007,21(5):152-154

[4]杜宝玉,赵波,刘传绍,闫艳燕.声悬浮无容器处理的实验研究及数值模拟分析[J].新技术新工艺,2005,(12):41-43

[5]解文军.声悬浮优化设计理论及其应用研究[D].博士:西北工业大学,2002