comsol 超声声场模拟_基于COMSOL的声悬浮声场模拟仿真
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基于
COMSOL
的声悬浮声场模拟仿真
作者：黄健宇
来源：《中国科技纵横》
2019
年第
03
期
摘
要：本文大致介绍了声悬浮与声悬浮力的理论，通过
COMSOL
模拟软件对声悬浮的声
场进行模拟，以此分析液体本身性质与形状对声压分布的影响，并对实验结果进行了分析。
关键词：声悬浮
;
声压
;
声辐射力
中图分类号：
TM359.9
文献标识码：
A
文章编号：
1671-2064
(
2019
)
03-0234-03
0
引言
超声悬浮是实现无容器环境的一种方便快捷的技术。无容器环境在材料分析、生化分析和
样品制备等过程中非常重要，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。以
声悬浮技术为基础的声悬浮装置在材料、化工、医学等方面上都有较大的实用价值。当需求极
净的纯净环境时，水滴等液体对象便可使用声悬浮进行处理，以避免与容器直接接触。
与电磁悬浮相比，声悬浮具有更大的材料选择范围，即不需要具有较好导电性的材料
;
并
且在悬浮过程中产生的热量极少，不用考虑低熔沸点的研究对象的损耗。声悬浮以其独特的特
点在研究流体运动学，凝聚过程中具有极高的应用价值且由于对样品没有电
/
磁性质的要求，
声悬浮被广泛的应用于蛋白质结晶、液态合金冷凝、液滴动力学、生化分析、甚至是胶体液滴
的干燥
[1
，
2]
。目前研究声悬浮的技术都有着一定的限制，人们所拥有的空间资源仍然十分有
限，许多研究无法得到足够的资源配给，可大量操作便是声悬浮相对外太空悬浮的优点。但
是，传统的研究方法通常是进行实验。但前者不够得出精确且符合实际情况的结果而后者较为
繁琐。而使用
COMSOL
有限元分析软件进行分析计算便是一种较为实用且可行的方法。
本文主要计算液滴悬浮位置与声辐射力的关系，并分析液滴形状和体积对声悬浮中声压的
作用关系。
1
超声悬浮相关理论
声悬浮的原理，顾名思义，便是依靠声驻波在物体不同部分的声压不同产生力并以此来克
服物体受到的重力，以此达到使物体悬浮的目的。依靠该原理便可以设计出可使小型液滴悬浮
的声悬浮装置并进行后续研究。
King[3]
等对声波的动量方程和物态方程进行处理后得到了关于刚性小球在理想液体中受
到的声悬浮力的方程，如下：
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