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現列車與軌道之間的無接觸的懸浮和導向，使速度得到質的提升。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。

(資料圖)

1866年，德國物理學家奧古斯特?昆特（August Kundt）在聲速測量實驗中發現反應管內的塵埃顆粒在聲波下可以愉快地懸浮舞動，這就是聲懸浮現象。

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

相比其他懸浮技術，聲懸浮的主要優點有：對目標懸浮物質材料的限制極少；設備基礎簡單，實現難度小；懸浮能力強等。

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

高溫下不穩定？一個系統解決它

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

為了保證這套系統在懸浮物體的同時還能對其進行激光加熱，也就是說，使物體被加熱產生相變（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，結合氣體托舉、激光加熱，通過設計換能器表面形狀、改善換能器帶寬，實現換能器的一致性，并通過優化溫度場和聲場耦合參數，解決高溫、氣流速度和大小等因素對聲場的影響，使系統能夠穩定懸浮高溫物體并自我調節相關參數。

高溫溫度場與聲場耦合穩定聲懸浮系統示意圖（圖片來源：中科院聲學所）

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

高溫溫度場與聲場耦合穩定聲懸浮系統（圖片來源：中科院聲學所）

超聲懸浮作為懸浮技術的研究熱點，如何提高其系統的懸浮穩定性，特別是高溫物體存在時系統的穩定性，是研究的重點和難點。以往，研究人員已經實現了小顆粒、液滴甚至小昆蟲等的懸浮，但較少對高溫物體進行懸浮和定向。

被超聲懸浮起來的小生物們（圖片來源：參考文獻[1]）

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

該系統在半導體制造、微機電系統、機械裝配、生物化學、藥物制備、凝固態物理學、地面太空實驗研究等領域獲得廣泛關注，存在廣闊的應用前景。

懸浮液滴（圖片來源：中科院聲學所）

在科學家的努力之下，聲懸浮“魔法”已經展現出越來越強大的力量，相信聲懸浮技術未來會在各個領域施展出更大的“魔力”。