一提到懸浮，或許小伙伴們首先想到的是磁懸浮，這項技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于磁懸浮交通及磁懸浮工藝品等眾多領(lǐng)域。對于磁懸浮列車，其原理是通過電磁力實現(xiàn)列車與軌道之間的無接觸的懸浮和導(dǎo)向，使列車的速度得到質(zhì)的提升。然而，我們今天的主角卻是另一種懸浮方式，它可能鮮為人知，這一懸浮方式與磁力無關(guān)，而是與聲波有關(guān)，借助聲波的“浮力”，水珠可以懸浮在空中。懸浮在半空中的藥滴

這聽起來是不是有點玄乎，正如著名科幻作家亞瑟·克拉克（Arthur C. Clark）所說的一樣：“任何足夠先進的技術(shù)都與魔法無異”。然而，魔法般的聲懸浮技術(shù)其實最早可以追溯到1866年。當(dāng)時27歲的德國科學(xué)家孔特（Kundt）在做聲速的測量實驗的時候，意外地發(fā)現(xiàn)反應(yīng)管內(nèi)的塵埃顆粒在聲波下可以愉快地懸浮舞動。通過這些塵埃有規(guī)則的懸浮舞動，他敏感地發(fā)現(xiàn)了放射波和反射波疊加后的駐波場及聲懸浮現(xiàn)象。他的發(fā)現(xiàn)，引起了許多學(xué)者對聲場中的作用力的好奇，揭開了聲懸浮研究的序幕。

昆特用于測量聲速的諧振管，后人稱為“昆特管”（Kundt tube）

在講聲懸浮實現(xiàn)的原理之前，我們先來回想一下聲音的本質(zhì)。根據(jù)初中的物理知識我們知道，聲音是由于空氣（或任何彈性介質(zhì)）中分子的振動導(dǎo)致周圍分子振動而產(chǎn)生的波。簡單來說，聲懸浮是高聲強條件下的一種非線性效應(yīng)，其基本原理是利用聲駐波與物體的相互作用產(chǎn)生豎直方向的懸浮力以克服物體的重力，同時產(chǎn)生水平方向的定位力將物體固定于聲壓的波節(jié)處。

聲懸浮原理圖

那么，駐波是怎樣形成的呢？波節(jié)又是什么呢？我們設(shè)想有一個超聲波聲源，超聲波射向另外一個反射面的距離是可以調(diào)節(jié)的，如果把這兩個之間的距離調(diào)節(jié)到半波長的整數(shù)倍，聲源處發(fā)出的波與反射回來的波相互疊加便可以形成駐波。下面這張圖便形象地展示了駐波的形成，藍(lán)色的和紫色的這兩束波疊加以后就形成了駐波，駐波就是咱們圖上的紅色的波形。在圖中我們可以發(fā)現(xiàn)有一些點是不振動的，這些點就被稱為波節(jié)，還有一部分點是振蕩的幅度最大，我們稱它為波腹。

經(jīng)過研究人員的努力，目前已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)小顆粒、液滴甚至小昆蟲等的懸浮，但對高溫物體進行懸浮和定向的研究較少。超聲懸浮作為懸浮技術(shù)的研究熱點，如何提高其系統(tǒng)的懸浮穩(wěn)定性，特別是高溫物體存在時系統(tǒng)的穩(wěn)定性，是研究的重點和難點。2022年，中科院聲學(xué)所研發(fā)的用于高溫物體物性參數(shù)測量的超聲懸浮系統(tǒng)，綜合使用激光加熱、氣體托舉等手段，非接觸地實現(xiàn)了密度在10000 kg/m3以下的物體十幾厘米空間內(nèi)的穩(wěn)定懸浮。

聲懸浮下的小生物

為什么研究人員要熱衷于研究聲懸浮技術(shù)呢？其實，聲懸浮技術(shù)在很多行業(yè)都大有用武之地。在很多情況下，我們需要在無容器的條件下進行生產(chǎn)。比如微芯片的制造，芯片由于體積小，在懸浮（無需被夾持）時更容易硬化和銳化；再比如因為某些材料具有腐蝕性并會與容器發(fā)生反應(yīng)，這時候聲懸浮技術(shù)便可以實現(xiàn)在無容器條件下進行化學(xué)處理；在制藥行業(yè)，懸浮器也為藥物制造提供了一個無污染的空間。

但是，對于目前的超聲懸浮裝置仍存在許多缺陷與可改進之處，比如懸浮物體的尺寸難以突破聲波半波長，超聲懸浮裝置需要小型化、輕量化，需要引入應(yīng)力測量系統(tǒng)以便研究超聲懸浮條件下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系等。相信在不久的將來，隨著技術(shù)的進一步完善與發(fā)展，超聲懸浮將在科學(xué)研究和生產(chǎn)生活中發(fā)揮更大的作用和價值。
責(zé)任編輯：彭菁