声悬浮为什么能让水浮在半空中?

声悬浮为什么能让水浮在半空中呢?


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原理: http://science.howstuffworks.com/acoustic-levitation1.htm

___________________________ 通俗版解释 ___________________________

声波是介质中压强周期性振动的传播. 当介质振动较弱时, 声波可近似看成简谐波, 而简谐波声压的时间平均值是零,所以无法对声场中的物体提供持续且有特定方向的压力.但在高声强条件下,声波会表现出不同于简谐波的非线性效应, 并且可以对声场中的物体提供长时间尺度下特定方向的压力,称为声辐射力.
在这个声悬浮装置中, 发射源和反射器间的声压会形成驻波. 声压的波节处正好是声辐射力的平衡位置,当水滴偏离波节时会受到指向波节的回复力,因此作用在水滴上的声辐射力能够克服水滴的重力将其固定在波节 (偏下) 的位置上.


__________________________ 专业一些的解释 __________________________

声波在一阶线性近似下(即简谐波近似), 声压 的时间平均值为零 (声压是流体压强在均值附近的扰动, 因此可以小于零), 但如果考虑二阶非线性效应, 则存在时间平均不为零的辐射压:

其中 是空气振动的速度, 是空气密度, 是声速.
辐射应力张量为, 其中 是度规张量 (即单位张量)
根据高斯定理, 声场中某物体( 设其占据的区域为 V ) 受力

若定义力密度 满足 , 则有

可见辐射声压的梯度形成了一个空间力场, 且这个力是声波的二阶效应, 也就是说只有振幅很大(声强很大)的声波才会有相对显著的效果. 事实上, 为了声悬浮一个液滴, 声强要达到 150 dB 以上.
对于这个声悬浮系统, 波源和反射器之间形成驻波.

一阶近似下, 根据Euler 方程 ( 即流体的动量守恒方程) 空气振动速度也形成驻波, 但和声压差 个相位:

如果我们定性考虑一个非常小的悬浮物, 则可把它视为点粒子其在声场中某一点的受到的辐射压力正比于该点的 , 时间平均辐射压 相当于作用在悬浮物上的势场, 且可忽略它对声波的散射,而用无悬浮物时驻波的声压计算辐射压力:



如图,在声压驻波的波节处 (速度的波腹) 辐射压形成了一个势阱, 此处 , 而声压波节两边 均指向波节. 悬浮物会被束缚在这个势阱中. 而且由于重力, 悬浮物的实际悬浮高度要比声压波节低一点.

当然上面只是在小悬浮物近似下的定性分析. 严格计算时需要考虑悬浮物形状和它对声波的散射, 散射 波的效应会对 的系数进行修正, 但最后的结果仍然比于 , 因此小悬浮物仍然会停留在声压波节附近.

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上面是声波源,发射高频声波,下面是反射镜,将声波以相同频率反射,反射波和入射波交涉后形成驻波。比喻:微小的波浪打在垂直的墙壁上,反射回去后的浪和下一个浪交涉,形成了一个个位置固定的浪峰,如果在浪峰之间中间点偏向墙壁一点点的地方放一只小虫子,虫头朝墙壁,虫子落水后往墙壁游,则虫子会发现自己游不动,有股力把自己往后推。于是虫子掉头往远离墙壁的方向游,发现游过浪峰之间中间点后,又有另一股力把自己往墙壁方向推,虫子发现自己被陷在浪峰之间中间点附近进退不得。。。。

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Jacob_226电子信息专业,DIY组鹳狸猿

2013-06-06 09:23

大家注意,他放置水珠的时候用的是网状的一个勺子还有注射器,总之是要尽量不阻碍声波。抛砖引玉,希望有人能在复制

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直接说吧,多少赫兹能做到这个效果?我喇叭都拆了居然不说这个

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我们可以用这个来进行推进么?~效率大概是多少?

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声波震动并运送能量,而且振动方向和运动方向是平行的,所以当声音从下往上传送时,携带的能量可以克服水滴的重力保持平衡状态。但我感觉这个声波的波长和频率是提前计算好的,使能量正好和水滴重量平衡.....哪位大神解释解释具体是不是这样?

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laomao0000爱DIY的数学怪蜀黍

2013-06-07 09:02

既然是驻波,那么可以算算频率了
目测第一张GIF中驻波的波节距离有两种不同的值,近的有1cm,远的有2cm
先按照1cm计算
波节是半波长,那么声波波长是2cm=0.02m
按照声速335m/s计算,频率为335÷0.02=16750Hz,差不多是人听觉的上限了(大人听不见的铃声http://times.clzg.cn/html/2009-04/14/content_54918.htm
如果波节是2cm,那么频率是8375Hz

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能量有梯度,然后就有力了,跟光镊子差不多的原理应该是

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水滴中能不能放只水生小生物??

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剑兰TOC企业管理顾问

2013-09-17 19:17

求做这个演示需要的设备。。。。就是一个 调谐声波的东西,然后连到一个扬声器么?功率至少要多大?频率范围?求大侠指点。。。。

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jolnDIY爱好者,业余程序员,3D打印爱好者,多肉品...

2014-09-22 20:30

个人能复制出来么,我想说

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叔大奥尼NGA论坛著名版主

2013-01-31 16:04
支持者: 愤怒土豆 moogee

我脚的这么解释比较好?(随口瞎掰的猜测)

声波也是一种能量这是肯定的。

在一定的状态,他能形成和风吹一样的效果,产生作用力来抵抗重力。

——反正我觉得应该就这样了……

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@春莱 敢问你是怎么把视频截下一段发表在帖子里的?多谢了。


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看完一堆公式之后决定还是求背景音乐吧....

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看到一堆的函数 我就右上角了,这是一种病吗?

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