第３６卷第３期大学物理实验Ｖｏｌ.３６Ｎｏ.３２０２３年６月ＰＨＹＳＩＣＡＬＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴＯＦＣＯＬＬＥＧＥＪｕｎ.２０２３收稿日期:２０２２￣１１￣２５基金项目:高等理科教育研究课题(２１ＺＳＬＫＪＹＹＢ１０)ꎻ甘肃省创新创业教育教学改革研究项目ꎮ∗通讯联系人文章编号:１００７￣２９３４(２０２３)０３￣００１５￣０６超声驻波悬浮颗粒小球现象的研究王心华∗ꎬ赵瑞丰ꎬ马悦瀛ꎬ彭效通(兰州大学物理科学与技术学院物理学国家级实验教学示范中心ꎬ甘肃兰州７３００００)摘要:本实验的目的是利用声学原理实现空气中轻小物体的束缚及移动ꎮ首先ꎬ在分析实验原理的基础上ꎬ设计实验方案ꎬ制作了三种实验装置ꎬ并进行了相关实验研究ꎻ其次ꎬ在实验研究基础上ꎬ采用Ｃｏｍｓｏｌ仿真软件进行了仿真模拟ꎬ绘制声压级图像和流体粒子捕捉动画ꎬ并展示了模拟结果ꎻ最后ꎬ通过理论、实验与模拟结果的对比ꎬ对实验结果进行了有效讨论ꎮ关键词:小物体ꎻ束缚ꎻ移动ꎻ悬浮中图分类号:Ｏ４２２文献标志码:ＡＤＯＩ:１０.１４１３９/ｊ.ｃｎｋｉ.ｃｎ２２￣１２２８.２０２３.０３.００３«大学物理实验»投稿网址:ｈｔｔｐ://ｄａｗｕｓｈｉｙａｎ.ｊｌｉｃｔ.ｅｄｕ.ｃｎ超声驻波悬浮技术是一种非接触式支撑技术ꎬ除结构简单、悬浮传输径向稳定性好等特点外ꎬ可以模拟空间环境的微重力、无接触等特性ꎬ能够为航空航天、医疗卫生、生物化学、材料科学等领域提供一种接近理想状态的实验条件ꎬ且克服了传统的接触式操作对精密仪器零件表面的破坏等问题ꎬ因而在生产、生活和科研领域具有广泛的应用价值[１￣７]ꎮ本文首先从声场空间中的声波方程出发ꎬ推导出声波在空间中的反射波动方程ꎬ再依据机械波的叠加原理总结出声场的驻波波动方程ꎬ对驻波波动方程求偏导得出媒质质点的速度方程ꎬ结合Ｇｏｒ′ｋｏｖ的时间平均势理论ꎬ导出相对时间平均势以及轴向悬浮力的公式ꎮ通过设置三种实验装置探究小球的悬浮稳定性ꎬ先采用Ｃｏｍｓｏｌ软件进行仿真模拟ꎬ再进行实际实验操作ꎬ测得各项实验数据ꎮ１原理分析与方案设计１.１超声驻波悬浮的原理分析超声换能器可以将电能转换为声能ꎬ即产生声波ꎮ若在发射端上方以合适距离放置反射端ꎬ可以产生驻波声场ꎬ可以对小球起到悬浮作用[８ꎬ９]ꎮ在普通的流体运动方程中只考虑了线性项ꎬ因而得到的声波方程是正弦或余弦波ꎬ这样的话不存在直流分量ꎬ但是如果考虑非线性项ꎬ那么就会存在一个直流项ꎬ即在声...
