基于換能器陣的三維多粒子懸浮及操控裝置

徐鈺琪，許輝杰，郭瑞雪，方明月，鄭鍵彬，謝翠婷

(華南師范大學(xué) 物理與電信工程學(xué)院,廣東 廣州 510006)

超聲駐波懸浮傳輸技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)微量液體材料或微小器件的非接觸操作，加強(qiáng)其在生物技術(shù)[1,2]、分析化學(xué)[3]和材料加工[4,5]等許多領(lǐng)域的應(yīng)用潛力. 目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)超聲駐波懸浮傳輸裝置的研制已經(jīng)取得了很多的研究成果.

單軸聲懸浮器由一個(gè)發(fā)射端和一個(gè)反射端構(gòu)成，已被廣泛用于軸上懸浮輕質(zhì)小物體[6]. 一些單軸懸浮器甚至可以懸浮高密度材料，如銥和汞[7,8]. 通過(guò)改變聲場(chǎng)中勢(shì)阱的位置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的傳輸控制，目前的控制方法主要包括：頻率控制法、相位控制法、諧振腔長(zhǎng)度控制法、振幅控制法等[9]. 各種控制方法沒(méi)有統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，相位控制法逐漸成為超聲駐波懸浮傳輸控制技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)，利用相位控制法、通過(guò)不同的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的二維操縱[10,11]. 但是上述提及的方法只能使物體在一個(gè)軸或平面上懸浮和移動(dòng)，這在一定程度上限制了超聲波懸浮操作的進(jìn)一步應(yīng)用.

近年來(lái)，三維操作技術(shù)引起了廣泛的關(guān)注. 有研究學(xué)者模擬了不同條件下的三維聲場(chǎng)，并由此設(shè)計(jì)了許多器件. Ochiai等人搭建了由兩個(gè)或者四個(gè)換能器陣列組成的裝置，每個(gè)換能器陣有數(shù)百個(gè)超聲波傳感器分開(kāi)控制，分別設(shè)置適當(dāng)?shù)南辔徊睿梢援a(chǎn)生多個(gè)焦點(diǎn)[12,13]. 盡管這個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了三維操作，但物體僅能在單個(gè)平面的這些點(diǎn)上懸浮. 由于聲波被聚焦，勢(shì)阱的數(shù)量減少，只有少數(shù)粒子可被懸浮. Omirou等人設(shè)計(jì)了兩相控陣列懸浮系統(tǒng)[14]，通過(guò)控制傳感器的振幅和相位來(lái)實(shí)現(xiàn)物體的三維運(yùn)動(dòng)，但懸浮粒子的數(shù)量仍然相對(duì)較少.

針對(duì)目前三維聲操作技術(shù)懸浮粒子數(shù)量少、懸浮空間局限的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了包含三對(duì)相對(duì)超聲換能器陣列的裝置，通過(guò)改變兩個(gè)相對(duì)換能器陣的相位差實(shí)現(xiàn)粒子在x、y和z方向的移動(dòng)，提出了一種在三維空間同時(shí)控制大量粒子的技術(shù)建議. 該技術(shù)對(duì)需要觀察和比較許多小物體(例如細(xì)胞和生物材料)的情況具有一定的適用性. 此外，該裝置可以應(yīng)用于測(cè)量聲速，具有一定的創(chuàng)新性.

1 實(shí)驗(yàn)原理[15]

根據(jù)Gor′ kov[16]關(guān)于聲懸浮的理論，作用于半徑為R的小球上的聲輻射時(shí)間平均勢(shì)為

(1)

因此，施加在小球的聲輻射力可以通過(guò)Gor′ kov勢(shì)Urad的梯度確定為

(2)

粒子將被聚集在局部極小值處，稱(chēng)為聲勢(shì)阱.

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)粒子的三維操控，本文考慮使用由3對(duì)相反的平面波疊加而成的3個(gè)正交駐波. 對(duì)于每一對(duì)平面波，一個(gè)平面波的相位是可調(diào)的，而另一個(gè)是恒定的. 因此，3個(gè)正交的駐波可以表示為

(3)

(4)

(5)

其中，?x、?y、?z分別是x、y、z方向兩個(gè)相對(duì)的平面波之間的相位差. 3個(gè)正交駐波的聲壓疊加值為

p(x,y,z)=px+py+pz

(6)

2 裝置設(shè)計(jì)

基于換能器陣的三維多粒子懸浮及操控裝置系統(tǒng)主要由三維超聲波換能器陣列、單片機(jī)控制模塊、驅(qū)動(dòng)放大模塊、電源供電模塊和數(shù)據(jù)采集模塊組成(圖1、圖2).

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總框圖

三維超聲波換能器陣列，根據(jù)上述懸浮原理，設(shè)計(jì)該模塊由3對(duì)相對(duì)的換能器陣列組成，它們產(chǎn)生3個(gè)正交的駐波，能夠?qū)⑽矬w懸浮在空中，如圖3所示. 相對(duì)的換能器陣列分別沿x、y和z方向固定，兩個(gè)相對(duì)的陣列之間的距離為10 cm. 每個(gè)換能器陣列都有5×5個(gè)換能器，固定在網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的背板上，兩個(gè)相鄰換能器的中心距離為12 mm. 所使用的傳感器(HY-1040ABS-T)的直徑為10 mm,高度為7 mm. 與相控陣聚焦不同，每個(gè)陣列上的換能器是并聯(lián)連接的，因此每個(gè)換能器發(fā)出的聲波的相位是相同的，即陣列發(fā)出的聲波是近似的平面波. 應(yīng)該注意的是，籃板對(duì)聲波的反射會(huì)干擾并削弱聲壓，從而大大影響操縱的穩(wěn)定性. 因此，本文設(shè)計(jì)了網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的背板，以允許聲波通過(guò)并大大減少反射. 另外，該設(shè)備固定在支架上，以避免桌子反射.

圖3 三維超聲波換能器陣列實(shí)物圖

單片機(jī)控制模塊，由聲懸浮操縱原理可知，可以通過(guò)改變信號(hào)的相位、頻率及幅度來(lái)改變聲學(xué)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)粒子的操縱. 而RT1064開(kāi)發(fā)板中的MCU有多個(gè)PWM外部輸出端口，可以直接調(diào)用開(kāi)發(fā)板源程序資料中的PWM函數(shù)，直接修改輸出PWM波的頻率，修改輸出延時(shí)來(lái)改變相位，本實(shí)驗(yàn)設(shè)置每100 ms改變一次相位. 單片機(jī)的供電則由電池轉(zhuǎn)5 V穩(wěn)壓輸出供電.

驅(qū)動(dòng)放大模塊采用3路L298N驅(qū)動(dòng)器對(duì)單片機(jī)輸出的控制信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾放大，L298N驅(qū)動(dòng)器工作電壓可達(dá)到36 V/4 A. 由于每?jī)擅骊嚵械母鱾€(gè)換能器大部分是并聯(lián)關(guān)系，由功率疊加原理可知，換能器陣列需要更大的驅(qū)動(dòng)電壓或電流，于是采用此模塊進(jìn)行功率放大. 3對(duì)面與面陣列由3路L298N驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，方便對(duì)不同參數(shù)的調(diào)整.

由于驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)單片機(jī)的控制信號(hào)進(jìn)行放大需要一定的工作電壓，電壓需要提供穩(wěn)壓輸出給功率放大模塊. 考慮到大多數(shù)的穩(wěn)壓輸出模塊是升壓穩(wěn)定輸出，一般來(lái)說(shuō)功率不足，于是使用降壓的開(kāi)關(guān)電源. 實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)市面上常見(jiàn)的24 V穩(wěn)壓輸出具有較好的驅(qū)動(dòng)效果，小球能穩(wěn)定懸浮，于是本文采用了220 V轉(zhuǎn)24 V的開(kāi)關(guān)電源對(duì)裝置進(jìn)行供電.

考慮到人眼觀測(cè)和刻度尺測(cè)量的誤差和局限，本文利用高速攝像機(jī)對(duì)粒子進(jìn)行拍攝，記錄下每個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)情況，方便后續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.

對(duì)于實(shí)驗(yàn)，首先用設(shè)備展示了使用膨脹聚苯乙烯小球的懸浮效果，如圖4所示. 從圖4中可以看出，大量的顆粒懸浮在空氣中. 由于勢(shì)阱的尺寸大于小球的直徑，小球之間不可避免地存在靜電力，因此，一些小球可能會(huì)聚集在一起. 接下來(lái)，通過(guò)調(diào)整兩個(gè)相對(duì)的換能器陣列之間的相位差來(lái)操縱小球的運(yùn)動(dòng). 例如，圖5顯示了隨著相位差的變化，小球的實(shí)際位置的時(shí)間序列. 顯然，隨著相位差的變化，小球沿著相應(yīng)的方向移動(dòng). 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，調(diào)整x、y、z方向信號(hào)的相位差，都可以讓小球沿著相應(yīng)的方向移動(dòng)，表明該實(shí)驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)可控.

圖4 多粒子懸浮效果圖

圖5 小球在y方向上的傳輸軌跡圖

3 裝置應(yīng)用舉例：駐波共振法測(cè)量聲速[17,18]

依據(jù)聲懸浮的原理，物體將懸浮于聲壓波節(jié)處，駐波聲場(chǎng)中相鄰波節(jié)或波腹位置之間的距離為該超聲波的半波長(zhǎng). 當(dāng)聲波諧振腔的長(zhǎng)度恰好為聲波半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，產(chǎn)生諧振，小球懸浮，懸浮時(shí)有

(9)

由

v=λf

(10)

得

(11)

其中，f為輻射端超聲波頻率，L為諧振腔間的間距.

如表1所示，通過(guò)計(jì)算所得聲速v=333.56 m/s，與文獻(xiàn)中理論聲速誤差為1.89%；在Matlab對(duì)像素坐標(biāo)取點(diǎn)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于小球有一定的大小以及參考點(diǎn)有一定的尺寸，導(dǎo)致每次對(duì)像素點(diǎn)進(jìn)行定位的像素坐標(biāo)都會(huì)有所不同(圖6). 又因?yàn)閷?shí)際距離與像素點(diǎn)坐標(biāo)本身就有較大的縮放比例，且兩個(gè)小球之間的實(shí)際間距Δd，亦即波長(zhǎng)的數(shù)量級(jí)與聲速數(shù)量級(jí)相差較大，導(dǎo)致像素坐標(biāo)取值稍微有所不同，就會(huì)使計(jì)算所得的聲速與理論值有較大差距.

表1 測(cè)量數(shù)據(jù)及結(jié)果

圖6 部分像素坐標(biāo)提取結(jié)果圖

另外，在實(shí)際操作過(guò)程中，可能由于相機(jī)擺放角度與粒子所在平面不夠平行、參照點(diǎn)選取不合適、Matlab計(jì)算像素點(diǎn)間距時(shí)選取的像素點(diǎn)有偏差等導(dǎo)致聲速的測(cè)量與理論值偏差較大.

用該方法測(cè)量聲速必須在十分嚴(yán)格的環(huán)境與條件下進(jìn)行，且測(cè)量結(jié)果相對(duì)誤差一般較大，本小組經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，相對(duì)誤差一般在2%～5%左右.

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種由3對(duì)相對(duì)的換能器陣列組成的超聲波懸浮器，用于懸浮和操縱空中的許多小顆粒. 通過(guò)改變換能器陣列的相位差，可以在三維方向上控制粒子的移動(dòng). 利用該裝置可以測(cè)量聲速，但必須在十分嚴(yán)格的環(huán)境與條件下進(jìn)行測(cè)量，且測(cè)量結(jié)果相對(duì)誤差一般較大，相對(duì)誤差在2%～5%左右. 該裝置提供了處理大量顆粒的技術(shù)方案，這在生物技術(shù)、分析化學(xué)和材料加工等領(lǐng)域創(chuàng)造了應(yīng)用聲學(xué)處理技術(shù)的更多可能性.