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自制超声悬浮 精选

已有 7046 次阅读 2017-9-15 17:30 |系统分类:科普集锦|关键词:超声悬浮| 超声悬浮

图一:超声悬浮中的一只已经离开人世的蚊子。

图二:超声悬浮的泡沫颗粒。

超声悬浮(Ultrasonic levitation)是一个学术研究的问题,如今还不断有论文发表(15年的时候,Applied Physics Letters还有一期封面就是这个东西,Particle manipulation by a non-resonant acoustic levitator, APL, 106, 014101)。但是和一般的前沿研究不同,这个现象并不需要高大上的仪器设备,只需通过某宝购买一个超声波发生器电路板和一个超声波振子(总价150元左右,可能不包邮哦亲)就能自己在家里玩了,非常有趣。

其实国外几年前也有业余科学家在家里玩这个东西,还有个美国大叔在Kickstarter上众筹一个项目,就是做这种超声悬浮的套件(http://www.soniclevitation.com/),卖给大朋友小朋友们玩(我想可能主要是大朋友)。

我拍了两段视频,可以演示这个有趣的现象。

http://v.youku.com/v_show/id_XMzAyNDg3ODExNg==.html?from=s1.8-1-1.2

http://v.youku.com/v_show/id_XMzAxODU5MjQyNA==.html?from=s1.8-1-1.2

[flash]http://player.youku.com/player.php/sid/XMzAyNDg3ODExNg==/v.swf[/flash]

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如果大家关心其物理原理,其实还是有些玄机。之前的大部分超声悬浮装置(专业的或业余的)都是基于共振腔(法布里-珀罗腔),也就是说反射面和发射面之间的距离需要满足半波长的整数倍,因此形成超声波的驻波。然而超声振子产生的波长并不稳定,随着温度的变化会有漂移,另外空气的温度改变也会影响声速,从而改变波长。这就是为什么之前业余科学家们玩超声装置都强调要仔细调节反射面和发射面的距离,并且悬浮状态一般不容易维持。

1981年,有一位叫做Charles Ray的美国朋友发现,如果反射面不是一个大平面,而是一个比声波波长还小的东西,那么它反射的波就是一个球面波,从而不会形成一个共振腔所需要的多次反射。但是这并不是说不会形成驻波,只不过这个驻波是由入射波和经过一次反射之后的球面波形成的,因此并不需要严格满足法布里-珀罗腔的共振条件,且在反射面下方一个波长左右的地方就有一个声压最低点,小球在这里悬浮变得极为容易,而且稳定。Ray申请了美国专利,大家可以下载到(US4284403)。下图是专利中的图。


实际上,我在扫描隧道显微镜的研究中也看到过这种非谐振腔的开放式的驻波现象(PRL, 108 016801),只不过是电子波而不是声波。当我们观察电子波在一个石墨烯台阶附近的行为时,发现它的局域态密度出现了空间中的震荡(如下图所示),这正是一个电子平面波入射到台阶上,被台阶反射之后与入射波形成的干涉条纹。在这个实验中,只有一个反射面,也无法形成法布里-珀罗腔中的那种驻波。


另外,小声做个宣传,我之前写的业余科学实验集锦《我们都是科学家》增添了两个章节,之后以新的名字出版了,叫做《极客物理》(如下图所示),多谢感兴趣的朋友捧场支持!





http://blog.sciencenet.cn/blog-669282-1076149.html

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