声学黑洞赋能超声镊子实现不规则形状毫米级固体的空中操控

本综述创新性地开发了一种基于二维声学黑洞（2DABH）的超声镊子（2DABHT），通过结合纵向-弯曲模态转换换能器的高功率特性与ABH的能量聚集效应，在空气中实现了对不规则形状毫米级固体（质量＜1?g）的非接触捕获与操控。研究通过建立精确理论模型、实验验证及数值模拟（Gor'kov势场、ARF场等），揭示了其物理机制，为声学操控设备的设计提供了新思路，在药物分拣、MEMS元件操作等领域具有应用潜力。

　　

Section snippets

Configuration of the 2DABHT

如图1(a)和(b)所示，2DABHT由一个兰杰文换能器（LT）和一个带有中心孔的二维声学黑洞帽（2DABH cap）组成，该中心孔专为捕获固体设计。图1(c)和(d)展示了2DABHT的几何尺寸，其中?₀表示2DABH的内端厚度（截断厚度），?₁为外端厚度，??_abh为2DABH的径向长度，??_in为中心孔半径，??为描述ABH轮廓的幂律方程指数。为快速计算振动特性……

Electrical impedance frequency response characteristics

使用COMSOL中的固体力学和静电模块，我们对2DABHT施加1?V激励电压并模拟其振动特性。图3(a)展示了通过螺纹机械接口集成LT与2DABH帽制成的2DABHT原型。采用精密阻抗分析仪（WK6500B）在1?V激励下测量了原型的电阻抗频率响应特性。

Capture experiment of expandable polystyrene spheres

为验证2DABHT对毫米级固体的操控能力，我们进行了捕获可膨胀聚苯乙烯（EPS）小球和不规则形状聚丙烯（PP）基座的实验。2DABHT原型连接至功率放大系统［图5(a)］。具体而言，正弦电信号（18.05?kHz, 500?mVpp）由信号发生器（DG1022U）产生，经功率放大器（AG1012）放大后驱动2DABHT。

Simulation setup

为阐明2DABHT在空气中捕获固体的物理机制，我们使用COMSOL进行了数值模拟。在三维模拟中，建立了围绕2DABH帽的圆柱形空气域，并在外表面应用完美匹配层（PML）以完全吸收声波。采用压力声学模块模拟了2DABHT在18.295?kHz频率下在空气中辐射的声场。受消费级计算机算力限制……

Conclusion

本文开发了一种用于空气中不规则形状毫米级固体操控的2DABHT。通过建立精确理论模型，系统分析了2DABHT并快速估算了其频率特性。实验验证了良好的振动特性，并通过在1?W激励下成功捕获六个EPS小球（半径约0.5?mm）及在10?W驱动下操控不规则PP基座（质量＜1?g），定量证明了其固体操控能力。