基于同轴共焦双频聚焦超声与涡旋声束的稳定声悬浮技术研究

为解决传统声悬浮技术中轴向推进力(ARF)与径向捕获力(R-ARF)难以协同的问题，南京大学团队提出一种基于同轴共焦双频聚焦超声(FU)和聚焦声涡旋(FAV)的复合声场方案。通过高精度相位采样双频全息DDS技术驱动8单元聚焦扇形阵列，实现了聚苯乙烯微粒在水中的稳定悬浮与轴向操控，悬浮稳定性较单一FU或FAV提升30倍，为无接触操作与无容器处理提供了新范式。

　　

声悬浮技术通过声辐射力(Acoustic Radiation Force, ARF)实现物体的非接触操控，在生物医学、材料科学等领域展现出独特优势。然而传统方法面临"鱼与熊掌不可兼得"的困境：聚焦超声(Focused Ultrasound, FU)能产生强轴向推进力(A-ARF)，但缺乏径向捕获力；聚焦声涡旋(Focused Acoustic Vortex, FAV)虽可形成径向势阱，轴向力却不足以抵消重力。这种矛盾严重制约了技术的实际应用，亟需突破性解决方案。

南京大学声学研究所团队在《Ultrasonics》发表的研究中，创新性地提出"双频协同"策略。研究人员采用0.9MHz FU与1MHz FAV构建同轴共焦声场，通过8单元聚焦扇形阵列实现声场精确调控。关键技术包括：(1)基于相位采样的双频全息直接数字合成(DDS)技术，相位分辨率达2π/4096；(2)Gor'kov势理论模型计算三维ARF分布；(3)实时调节FU与FAV的峰值压力比(P_FAV/P_FU)。实验使用直径250μm的聚苯乙烯微粒(ρ_p=1050kg/m³)在水介质中进行验证。

轴向力分析揭示FU峰值压力决定悬浮能力阈值，当P_FU≥1.2MPa时可克服微粒重力。通过调节P_FU从1.2至2.0MPa，稳态悬浮高度可提升3.8倍，证明"声学浮力"的可控性。

径向捕获机制研究表明P_FAV/P_FU≥0.69时形成稳定势阱，该阈值与微粒密度、尺寸无关。FAV产生的环形高压区(压力幅值1.5MPa)可有效约束微粒径向位移在±50μm内。

双频全息DDS技术实现了8通道独立调控，频率分辨率0.1Hz，振幅调节精度V_pp/1024。通过实时调整FU与FAV的相位差(Δφ=2π/8)，确保双频声场的同轴共焦特性，焦点偏移<λ>

实验验证成功演示微粒的三种运动状态：(1)当P_FU=1.5MPa且P_FAV/P_FU=0.8时，微粒稳定悬浮于焦点上方2.3mm；(2)增大P_FU至1.8MPa使微粒上升至3.5mm；(3)降低P_FAV/P_FU至0.5导致径向逃逸。

该研究突破性地解决了声悬浮领域"轴向推进与径向捕获不可兼得"的难题。理论创新在于：(1)建立双频声场的Gor'kov势耦合模型；(2)发现0.69的临界压力比阈值。技术创新体现在：(1)相位采样DDS实现纳米级焦点控制；(2)8通道系统较传统256阵元系统复杂度降低97%。应用价值包括：(1)为活细胞操作提供更温和环境；(2)推动无容器材料合成发展。研究团队指出，未来可通过优化阵列曲率半径(R)与频率比(f₂/f₁)进一步扩大悬浮范围，为声镊技术在生物医学工程中的应用开辟新途径。