一种聚焦螺旋声波悬浮约束和运动控制方法及装置与流程
1.本发明属于生物、制药、化学工程、半导体硅芯片制造领域，具体涉及一种聚焦螺旋声波悬浮约束和运动控制方法及装置。
背景技术：
2.在细胞疗法、人工辅助生殖等领域，经常需要对细胞做分离、清洗、浓缩等精细操作。这些技术操作的关键步骤是在对细胞操控的同时做到不伤害细胞。这种无接触、悬浮细胞和空间位置调控的技术方法可以参考文献“b
·
利普肯斯, et al.,利用声泳的细胞洗涤,浓缩和分离.2019”。
3.在生物工程、制药工程、化学工程等领域，经常期望两种物质(颗粒，胶体，流体等物质)进行有效接触，从而促进它们的混合、融合或者化学反应。声波悬浮约束技术可以提供一种纯净无污染的条件。
4.在半导体硅芯片制造工艺中，由于硅晶片具有很强的表面敏感性，传统的接触式操作可能使其形变、产生划痕，甚至破裂。另外，接触式操作也有可能造成细微颗粒污染。因此，在硅芯片等高精尖制造领域急需一种无接触传输方式。
5.目前现有超声波悬浮技术已经实现了无接触操作。尤其是使用具有轨道角动量(oam)、螺旋相位分布的涡旋声场能够实现对微小物质的悬空捕获和位置操控。产生涡旋声场的方法一般主要有两种：一种是在声波换能器外部使用具有一定几何结构的声学透镜(比如螺旋状声学透镜)或者使用具有特殊结构的声学共振腔。普通无旋声波经由这些外置设备作用，能够产生具有一定的轨道角动量的螺旋声波。另外一种是一系列独立的声波换能器排列成声学阵列，通过电路来控制每个换能器的相位。这种声学阵列从整体效果上来看可以实现一个角动量的螺旋声场。然而，目前针对螺旋声波的研究和应用主要侧重于螺旋特性的应用，但没有对螺旋声波的聚焦性能做出严格规定。
6.另一方面，传统的超声聚焦利用其可穿透性和可聚焦性，可以达到声波能量的聚焦，比如在医学上利用超声波聚焦特性来进行无创的局部性。但是这种传统的声波聚焦又缺乏了螺旋特性。
技术实现要素：
7.本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种聚焦螺旋声波悬浮约束和运动控制方法及装置。设计一种具有特定几何结构的声波阵列组合，利用声波螺旋角动量的特性来实现声波能量的螺旋和聚焦，从而对物质在空间位置的约束以及实现对其运动的控制，实现无接触操作，并提高稳定性。
8.本发明是通过以下技术方案实现的：
9.本发明的第一个方面，提供了一种聚焦螺旋声波悬浮约束和运动控制方法，所述方法利用多个换能器获得聚焦螺旋声波，并利用聚焦螺旋声波实现物质在三维空间的悬浮，以及控制物质的空间位置和运动。
10.本发明的进一步改进在于：
11.所述换能器包括声波换能器、超声波换能器、喇叭或者扬声器。
12.本发明的进一步改进在于：
13.利用多个换能器获得聚焦螺旋声波的操作包括：
14.将n个换能器在圆周上均匀布置，形成环形的换能器阵列环；设置相邻两个换能器之间的相位差是2π/n，n为偶数，且所有换能器的中心所在的圆周的直径是每个换能器所产生波长的整数倍；
15.将两个换能器阵列环相对设置，且两个换能器阵列环中的各个换能器一一对应；
16.激活所有换能器，在两个换能器阵列环之间形成聚焦螺旋声波。
17.本发明的进一步改进在于：
18.所述控制物质的空间位置和运动的操作包括：
19.设置两层安装板，在每一层安装板上设置多个换能器阵列环；上层安装板上的换能器阵列环与下层安装板上的换能器阵列环相对设置；上层安装板、下层安装板上相对的两个换能器阵列环中的各个换能器一一对应；将上层安装板、下层安装板上对应的两个换能器阵列环作为一个换能阵列对；
20.通过依次激活各个换能阵列对来控制物质的空间位置和运动。
21.本发明的进一步改进在于：
22.所述控制物质的空间位置和运动的操作包括：
23.设置环状结构，在环状结构上设置多个在圆周上均布的换能器阵列环；相邻两个换能器阵列上的各个换能器一一对应；
24.通过依次激活各个换能器阵列环来控制物质的空间位置和运动。
25.本发明的第二个方面，提供了一种聚焦螺旋声波悬浮约束和运动控制装置，所述装置包括至少两个换能器阵列环；
26.每个换能器阵列环包括n个在圆周上均布的换能器；相邻两个换能器之间的相位差是2π/n，n为偶数；所有换能器的中心所在的圆周的直径是每个换能器所产生波长的整数倍；
27.两个换能器阵列环平行设置或者呈角度设置，且两个换能器阵列环中的各个换能器一一对应。
28.本发明的进一步改进在于：
29.所述聚焦螺旋声波悬浮约束和运动控制装置包括两个换能器阵列环；
30.每个换能器阵列环均包括正多边形环，在正多边形环的每个顶点处均设置有安装孔；在每个安装孔内安装有一个换能器；
31.两个换能器阵列环中的正多边形环平行设置，即两者的中心轴线位于同一条直线上，并在两个正多边形环之间设置多个平行的连接杆，每个连接杆的一端与第一个换能器阵列环中的正多边形环连接，另一端与另一个换能器阵列环中的正多边形环连接；
32.两个换能器阵列环中的各个换能器一一对应。
33.本发明的进一步改进在于：
34.所述聚焦螺旋声波悬浮约束和运动控制装置包括：平行设置的两层安装板和连接两层安装板的连接杆或者连接板；
35.在每层安装板上分别设置有多个相同的正多边形，且每个正多边形和与其相邻的正多边形共用一条边，在每条边的两个顶点上分别设置有安装孔，在每个安装孔内安装有一个换能器，位于同一个正多边形的各个顶点上的换能器构成换能器阵列环；
36.上层安装板、下层安装板上相对的两个换能器阵列环中的各个换能器一一对应。
37.本发明的进一步改进在于：
38.所述聚焦螺旋声波悬浮约束和运动控制装置包括：多个在圆周上均布的换能器阵列环；
39.每个换能器阵列环均包括正多边形环，在正多边形环的每个顶点处均设置有安装孔；在每个安装孔内安装有一个换能器；
40.相邻两个换能器阵列环的正多边形通过多个连接杆连接；
41.相邻两个换能器阵列环所在平面的夹角为2π/n。
42.本发明的第三个方面，提供了一种聚焦螺旋声波悬浮约束和运动控制方法在3d打印中的应用。
43.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
44.利用本发明可以实现微小颗粒物质在空间的悬停或移动，实现了无接触操作，并提高了稳定性。与传统向外发散性螺旋声波相比，本发明聚焦螺旋声波基于特殊的换能器位置设计，实现了螺旋声波能量的向内螺旋聚焦，向外干涉振幅互相抵消，从而最大程度的利用了声波能量，实现了声波能量的聚焦。
45.本发明利用换能器阵列空间位置和声波相位的组合可以获得环形螺旋声波，此设备可以作为一种科学研究装置对螺旋声波技术进行更进一步的研究。
附图说明
46.图1通过把八个换能器按照相位0，π/4,π/2,3π/4,π,5π/4,3 π/2,7π/4均匀分布在一个圆周上实现旋转波；
47.图2耦合成聚焦螺旋波状态的示意图；
48.图3具有向内螺旋的轨道角动量的示意图；
49.图4数值模拟结果；
50.图5声压波动振幅；
51.图6三维数值模拟结果；
52.图7两个相同的环形相位换能器阵列按照相对位置放置的示意图；
53.图8三维数值模拟的各个方向上的波动剖面；
54.图9yz中心方向的波动剖面；
55.图10结果示意图；
56.图11时间轴上的数值模拟；
57.图12中心位置悬浮控制示意图；
58.图13a本发明的第一种组合结构中安装板为平面板的结构示意图；
59.图13b本发明的第一种组合结构中安装板为弧形板的结构示意图；
60.图14通过控制环形换能器对的交替激活实现向各个方向的移动的示意图；
61.图15本发明的第一种组合结构的实施例结构示意图；
62.图16本发明的第二种组合结构的实施例结构示意图；
63.图17a设置有6个换能器的换能器阵列环；
64.图17b设置有8个换能器的换能器阵列环。
具体实施方式
65.下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
66.在之前研究中发现，声波和弹性波具有旋转的内禀属性(可参考文献“long, y.,j.ren,and h.chen,intrinsic spin of elastic waves.proceedingsof the national academy of sciences,2018.115(40):p.9951-9955.”)。声波除了在传播方向上具有常规的沿传播方向上的轨道声波角动量(oam)之外，在周向也具有一定的旋转声学角动量(spin augular momentum,sam)。这是一项重要的科学发现。但是以旋转波作为理论基础的具体技术应用目前还在探索阶段。比如美国能源部所属劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员利用声波在传输过程中产生的动态旋转，即“旋转角动量(sam)”，在单个频率上包装更多的信道，显著增加信息传输量，实现高速的水下声通信(可参考文献“shi,c.,etal.,high-speed acoustic communication by multiplexing orbital angularmomentum.proc natl acad sci u s a,2017.114(28):p.7250-7253”)。目前针对螺旋波的研究和应用更多注重向外的旋转角动量。而本发明属于一种以旋转波向内的旋转角动量为基础的创新应用。
67.螺旋声波作为新兴的一门技术，目前处在蓬勃发展阶段，本发明有助于制造新型科学研究试验装置，尤其是针对物理学，声学的试验。
68.本发明提供了一种对物质在空间进行悬浮约束和运动控制方法，具体涉及利用聚焦螺旋声波实现颗粒、细胞、胶体、流体等物质在三维空间悬浮，以及对其空间位置和运动的控制。本发明利用超声波驻波的特性，通过超声波换能器或者换能器阵列组合实现微小颗粒物质在空间的悬停或移动。
69.悬浮约束技术使用机械波(包括声波和弹性波等)约束物质在空间做运动或者处于静止悬浮状态。
70.本发明所描述螺旋波主要使用机械波，包括声波、超声波和弹性波等。
71.本发明所采用的换能器包括现有的声波换能器、超声波换能器，以及现有的可以播放声音的喇叭，扬声器等。每个换能器均是点声源，所产生的声波是以球面波形式向四面八方传播的。
72.本发明利用具有不同相位的换能器组合来实现聚焦螺旋声波，具体如下：
73.将偶数个换能器按照圆周环形布置形成环形的换能器阵列环，具体的，可以采用一个正多边形环，在正多边形环的每个顶点处均设置有安装孔，在每个安装孔内安装有一个换能器，形成换能器阵列环。因为每个换能器均是点声源，所产生的声波是以球面波形式向四面八方传播的，所以在换能器阵列环的两侧均可产生相对螺旋波形。通过调控每个换能器的相位来实现组合波形在三维空间内形成螺旋形状波阵面，从而实现对物质的空间位置和行动进行控制。
74.其中形成螺旋波束的关键在于换能器阵列环中的每一个换能器的相位差和各个换能器之间的位置关系。如图1所示，通过把八个换能器按照相位0，π/4, π/2,3π/4,π,5π/
4,3π/2,7π/4(这八个角度数据是指换能器的相位，它们是均匀分布的，就是相邻两个换能器的相位之间的夹角是π/4，本实施例中，换能器在正多边形环上的位置和其相位是相同的，但是如果相位分布是逆时针的，则换能器的相位和角度的位置就不相同了。)均匀分布在一个圆周上可以实现旋转波，在三维空间中，波形沿着环形的中心轴线方向以螺旋波形式向外运动，本实施例中采用了8个在圆周上均匀分布的换能器，也可以采用4个、 6个、10个等偶数个换能器，所有的换能器在圆周上均匀分布即可。图1所示的实施例中一个环路的相位变化是2π。
75.在圆周上均匀分布的偶数个换能器的数量和其相位之间具有一定对应关系。具体来说，如果一共有n个(n为偶数)换能器的话，相邻两个换能器之间的相位差是2π/n。图17a、图17b分别展示了具有6个和8个换能器的相位分布情况。
76.在一个正多边形环上，对于每一对位于相对方向上的换能器，它们之间的相位差为π，它们之间的距离，即整个换能器阵列环所处的圆周直径(即所有换能器的中心所在的圆周)，应当是每个换能器所产生波长(每个换能器的型号功率都是一样的，所发射的声波频率和波长都相同，但是每个换能器具有不同的相位。而声波相位是可以通过声波激励电路来控制的，该声波激励电路属于通用技术，在此不再赘述。)的整数倍。这样各个换能器所产生的机械波能量可以实现在圆周内集中，圆周外大部分互相抵消，从而实现能量集中，耦合成聚焦螺旋声波，如图2所示，其中s1波是相位为0的换能器产生的波、s2波是相位为π的换能器产生的波。
77.相比于传统发散性螺旋超声波悬浮，相位调控的换能器阵列环在环形内部所产生的螺旋波具有向内螺旋的旋转角动量，如图3所示，图3中的x-y坐标代表了换能器阵列环的声波发生平面，t坐标代表了时间轴，随着时间的推移，组合声波产生出具有旋转角动量的声波，图3展示了声波的旋转角动量(角动量是一种向量)在时间上的状态。
78.图3是一种空间和时间组合的三维图。在时间轴上，中心轴线表示了旋转角动量所指向的中心，在空间上，中心轴线正好也是环形换能器的中心位置，从而能够使得声波能量更加集中，从而实现物体更加稳定的悬浮和更加精确的空间位置控制。
79.如图4所示，数值模拟结果显示8个换能器按照上述相位和位置布置后，非中心区域b所产生的高声压和非中心区域c产生的低声压在圆周内部呈现旋转状态。如图5所示，数值模拟结果进一步显示在时间轴上，沿中心轴线区域a产生的波动振幅明显小于圆周内非中心部区域b的波动振幅，从而可以实现对物质的空间束缚。
80.如图6所示，三维数值模拟结果显示，换能器阵列环所产生的旋转波在沿着圆周轴向方向的三维空间内呈现螺旋前进状态。
81.使用换能器阵列环实现对物体的悬浮和位置操控的一种基本结构如图7所示，将两个相同的换能器阵列环相对设置，具体的，将两个换能器阵列环中的正多边形环平行设置，即两者的中心轴线位于同一条直线上，并在两个正多边形环之间设置多个平行的连接杆(图7中用虚线表示了连接杆)，每个连接杆的一端与第一个换能器阵列环中的正多边形环连接，另一端与另一个换能器阵列环中的正多边形环连接(例如：设置2个或多个连接杆，连接杆与换能器阵列环的中心轴线平行，连接杆与正多边形环的连接处不影响换能器的安装即可。)，并且两个换能器阵列环中的各个换能器一一对应。因为每个换能器阵列环都是相同的，而且对应的换能器相对设置，则两个换能器阵列环的传播方向相反，因此平行放置
的两个换能器阵列环之间的颗粒物质会向中心位置聚拢，即在中心轴线上的波动压力推动下，位于两个换能器阵列环之间的物体会逐渐向中心位置靠拢聚集，从而实现对物体的捕获和空间悬浮束缚。通过使用现有的时间延迟电路调控各个换能器的相位变化，可以进一步实现对物体进行中心轴方向的移动。
82.图8显示了三维数值模拟的各个方向上的波动剖面。结果显示螺旋波以中心轴线为中心，在两个环形相位换能器阵列之间对向传播，图8中的4幅小图分别展示了第一个阵列环的xz剖面、第二个阵列环的xz剖面、两个阵列环和连接杆形成的圆柱上xy水平剖面、yz纵向剖面上的波动。
83.图9进一步单独展示了yz中心方向的波动剖面。结果如图10所示，在两个环形相位换能器阵列之间，沿中心轴线区域a(如图9中的白虚线所示) 的波动振幅远小于周围非中心区域b(如图9中的黑实线所示)的波动振幅。这说明如果物体在垂直于中轴线的平面上纵向脱离了中心轴线位置时，在螺旋波动压力的推动下，会向中轴线位置靠拢。这种特性使得物体可以悬浮在中心轴线方向。
84.图11进一步使用时间轴上的数值模拟进行显示，被束缚的物体会沿着“声压低谷”(图11中的浅灰部分)逐渐向两个换能器阵列环的中间(中间位置具体是指图11中，y＝60时，沿着时间轴方向延伸的那一带)靠拢。这个被束缚物体无论在纵向(垂直中心轴线)还是横向(沿着中心轴线)上都会在螺旋波动声压下向中心位置靠拢。图12利用了三维数值模拟显示了一个方形物体在两侧螺旋波阵面的共同作用下，实现了中心位置悬浮控制。通过变化调控各个换能器相位(相位差方向和大小)和功率(振幅)，可以进一步实现物体在中心轴方向的运动。
85.根据上述换能器阵列环的基本形态，可以进一步扩展成更多更为灵活的组合应用。
86.为了实现控制物质的空间位置和运动，本发明方法设置了两层结构，在每一层结构上设置有多个换能器阵列环；上层的换能器阵列环与下层的换能器阵列环一一对应，且对应的两个换能器阵列环中的各个换能器也一一对应，将对应的两个换能器阵列环作为一个换能阵列对；通过依次激活各个换能阵列对来控制物质的空间位置和运动。
87.本发明提供的第一种装置如图15所示，包括平行设置的两层安装板和连接两层安装板的多个连接杆或者连接板。如图13a和图13b所示，在每层安装板上分别设置有多个换能器阵列环，两层安装板上的相对的两个换能器阵列环构成图7所示的基本单元(为了防止连接杆阻挡颗粒运动，只在安装板的边缘处设置连接杆即可，各个基本单元内不再设置连接杆，或者在两层安装板的边缘处设置连接板，形成盒状结构，只要能够保持两层安装板上下平行设置即可。)。可以采用现有的多种方式将换能器阵列环安装在安装板上。
88.优选的，为了方便对颗粒进行移动和增加灵活性，每层安装板的结构如图 13a和图13b所示，在每层安装板上设置有多个相同的正多边形，且每个正多边形和与其相邻的正多边形共用一条边，在每条边的两个顶点上分别设置有安装孔，在每个安装孔内安装有一个换能器。图13a、图13b所示的实施例中采用的是正六边形，每个正六边形的六条边分别和与其相邻的6个正六边形共用，在每条边的两个顶点上分别安装有换能器，即图13中的每个节点处安装有一个换能器104，这样，位于同一个小正六边形上的6个换能器构成一个小的换能器阵列环，同时，位于同一个大正六边形上的6个换能器同样也构成一个大的换能器阵
列环，如图14所示，可以根据需要使用大的换能器阵列环或者小的换能器阵列环。上层的换能器阵列环和与其对应的位于下层的换能器阵列环构成换能阵列对。
89.另外，安装板既可以是如图13a所示的平面板，也可以是如图13b所示的弧形板，只要两者平行设置即可。
90.通过激活(激活是指给换能器通电并调整相位)上、下两层安装板上的换能阵列对，可以产生垂直方向的螺旋声波，即使用上下相对的换能器阵列环可以对两层安装板之间的物体实现声波悬浮。
91.具体的，激活上、下安装板上相对的换能器阵列环，即可悬浮控制物体。通过控制换能阵列对的交替激活，可以实现物体向各个方向的移动，如图14 所示，先激活两层安装板上相对的第一对换能阵列对101(图14仅展示了其中一层安装板，另一层安装板被遮挡住了。)，实现对颗粒物质的悬浮，再激活两层安装板上相对的第二对换能阵列对102，由于第二对换能阵列对102的螺旋波的牵引，颗粒物质开始从第一对换能阵列对101的中心向第二对换能阵列对 102的中心靠拢，然后关闭第一对换能阵列对101，颗粒物质完全移动到了第二对换能阵列对102的中心，从而实现了移动。从第一对换能阵列对101的中心移动到第二对换能阵列对102的中心是实现了一步的移动。为了保证移动的稳定性，优选的是将物体逐步移动，即依次激活相邻的换能阵列对，在图14所示的实施例中，物体从第二对换能阵列对102的中心移动到第三对换能阵列对103 中心需要移动5步。图15中显示了颗粒(如实线圆圈所示)从左侧第一对换能阵列对的中心移动到右侧第一对换能阵列对的中心的过程，移动到位后的颗粒如虚线圆圈所示。
92.具体使用时，也可以根据悬浮颗粒物体的大小并通过做实验来确定最小的移动步数。
93.平行放置的两个换能器阵列环之间的颗粒物质会向中心位置聚拢，两个换能器阵列环平行设置是最佳状态，但是两个换能器阵列环所在的平面有一个夹角(θ＝2π/n)也是可以实现相似功能的。因此，进一步的，可以设置环状结构，在环状结构上设置多个在圆周上均布的换能器阵列环；相邻两个换能器阵列上的各个换能器一一对应；通过依次激活各个换能器阵列环来控制物质的空间位置和运动。相应的，第二种结构如图16所示，串联使用多个换能器阵列环组合成“轮胎”或者“面包圈”形状(即将多个换能器阵列环设置在一个环形上，且沿环形均布)。通过调控各组换能器的相位变化实现在环形圈内悬浮和移动所束缚物体。
94.第二种结构可以作为一种科学试验设备来做研究，通过大环形结构来实现对颗粒物质的局部束缚。比如交替激活环形换能器阵列(由8个换能器构成的环对)，可以实现对非磁性粒子物质在“面包圈”空间内的环形运动和加速。
95.如图16所示，大环性螺旋声波发生装置包括多个换能器阵列环，相邻两个换能器阵列环的正多边形通过多个连接杆连接，多个换能器阵列环依次连接后形成一个大环形，图16所示的实施例中是由8个换能器阵列环(分别如数字 1-8所示)均匀分布在一个圆周上所构成。每个换能器阵列环又由8个声波换能器均匀分布组合而成，每个换能器的相位在表1里面做了详细说明，例如第 4个换能器阵列环中，其上方的换能器的相位为3π/4，右侧的换能器的相位为 5π/4,两者之间的换能器的相位为π，下方的换能器的相位为7π/4，下方的换能器与右侧的换能器之间的换能器的相位为3π/2,下方的换能器与左侧换能器之间的换
能器的相位为0，左侧的换能器的相位为π/4，左侧的换能器与上方的环能年起之间的换能器的相位为π/2，以同样的方式可以从表1中查到各个换能器阵列环中的各个换能器的相位。每个激活的换能器阵列环内部形成螺旋声波，在8个换能器阵列环形成的大环形内侧的8个换能器同时又构成了顺时针递增的相位组合，因此大环形的内侧又可以形成一种螺旋声波。
[0096][0097]
表1
[0098]
如果要驱动颗粒物质做环形运动，则每次激活一个换能器阵列环，颗粒物质会沿着该环的中心轴线远离该环，当颗粒到达相邻的换能器阵列环后，就激活该相邻的换能器阵列环，继续推进颗粒物质沿着第二个环的中心轴线向远离第二环的方向推进，以此类推，通过依次激活各个换能器阵列环，使得颗粒物质进行循环环形运动。如果同时激活相邻的两个换能器阵列环，则两个换能器阵列环同时将颗粒物质向两个换能器阵列环之间推动，最终颗粒物质将停留在两个换能器阵列环之间，实现悬浮。
[0099]
对本发明装置的进一步应用是：在3d打印领域，目前已经实现了悬浮式 3d打印，利用本发明可以在没有任何实体打印平台的情况下，实现360度无死角操作，突破对形状的限制，实现更加复杂零部件的整体3d打印。而且，利用本发明可以采用多个3d打印机同时在不同方向一起工作，可打印出各种功能产品，并显著提高打印速度。
[0100]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0101]
在本发明的描述中，除非另有说明，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0102]
最后应说明的是，上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技
术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。
技术特征：
1.一种聚焦螺旋声波悬浮约束和运动控制方法，其特征在于：所述方法利用多个换能器获得聚焦螺旋声波，并利用聚焦螺旋声波实现物质在三维空间的悬浮，以及控制物质的空间位置和运动。2.根据权利要求1所述的聚焦螺旋声波悬浮约束和运动控制方法，其特征在于：所述换能器包括声波换能器、超声波换能器、喇叭或者扬声器。3.根据权利要求1所述的聚焦螺旋声波悬浮约束和运动控制方法，其特征在于：所述利用多个换能器获得聚焦螺旋声波的操作包括：将n个换能器在圆周上均匀布置，形成环形的换能器阵列环；设置相邻两个换能器之间的相位差是2π/n，n为偶数，且所有换能器的中心所在的圆周的直径是每个换能器所产生波长的整数倍；将两个换能器阵列环相对设置，且两个换能器阵列环中的各个换能器一一对应；激活所有换能器，在两个换能器阵列环之间形成聚焦螺旋声波。4.根据权利要求3所述的聚焦螺旋声波悬浮约束和运动控制方法，其特征在于：所述控制物质的空间位置和运动的操作包括：设置两层安装板，在每一层安装板上设置多个换能器阵列环；上层安装板上的换能器阵列环与下层安装板上的换能器阵列环相对设置；上层安装板、下层安装板上相对的两个换能器阵列环中的各个换能器一一对应；将上层安装板、下层安装板上对应的两个换能器阵列环作为一个换能阵列对；通过依次激活各个换能阵列对来控制物质的空间位置和运动。5.根据权利要求3所述的聚焦螺旋声波悬浮约束和运动控制方法，其特征在于：所述控制物质的空间位置和运动的操作包括：设置环状结构，在环状结构上设置多个在圆周上均布的换能器阵列环；相邻两个换能器阵列上的各个换能器一一对应；通过依次激活各个换能器阵列环来控制物质的空间位置和运动。6.一种聚焦螺旋声波悬浮约束和运动控制装置，其特征在于：所述装置包括至少两个换能器阵列环；每个换能器阵列环包括n个在圆周上均布的换能器；相邻两个换能器之间的相位差是2π/n，n为偶数；所有换能器的中心所在的圆周的直径是每个换能器所产生波长的整数倍；两个换能器阵列环平行设置或者呈角度设置，且两个换能器阵列环中的各个换能器一一对应。7.根据权利要求6所述的聚焦螺旋声波悬浮约束和运动控制装置，其特征在于：所述聚焦螺旋声波悬浮约束和运动控制装置包括两个换能器阵列环；每个换能器阵列环均包括正多边形环，在正多边形环的每个顶点处均设置有安装孔；在每个安装孔内安装有一个换能器；两个换能器阵列环中的正多边形环平行设置，即两者的中心轴线位于同一条直线上，并在两个正多边形环之间设置多个平行的连接杆，每个连接杆的一端与第一个换能器阵列环中的正多边形环连接，另一端与另一个换能器阵列环中的正多边形环连接；两个换能器阵列环中的各个换能器一一对应。8.根据权利要求6所述的聚焦螺旋声波悬浮约束和运动控制装置，其特征在于：所述聚
焦螺旋声波悬浮约束和运动控制装置包括：平行设置的两层安装板和连接两层安装板的连接杆或者连接板；在每层安装板上分别设置有多个相同的正多边形，且每个正多边形和与其相邻的正多边形共用一条边，在每条边的两个顶点上分别设置有安装孔，在每个安装孔内安装有一个换能器，位于同一个正多边形的各个顶点上的换能器构成换能器阵列环；上层安装板、下层安装板上相对的两个换能器阵列环中的各个换能器一一对应。9.根据权利要求6所述的聚焦螺旋声波悬浮约束和运动控制装置，其特征在于：所述聚焦螺旋声波悬浮约束和运动控制装置包括：多个在圆周上均布的换能器阵列环；每个换能器阵列环均包括正多边形环，在正多边形环的每个顶点处均设置有安装孔；在每个安装孔内安装有一个换能器；相邻两个换能器阵列环的正多边形通过多个连接杆连接；相邻两个换能器阵列环所在平面的夹角为2π/n。10.一种如权利要求1-5任一项所述的聚焦螺旋声波悬浮约束和运动控制方法在3d打印中的应用。
技术总结
本发明提供了一种螺旋声波悬浮约束和运动控制方法及装置，属于生物、制药、化学工程、半导体硅芯片制造领域。所述方法利用多个换能器获得聚焦螺旋声波，并利用聚焦螺旋声波实现物质在三维空间的悬浮，以及控制物质的空间位置和运动。利用本发明可以实现微小颗粒物质在空间的悬停或移动，实现了无接触操作，并提高了稳定性。本发明聚焦螺旋声波基于特殊的换能器位置设计，实现了螺旋声波能量的向内螺旋聚焦，向外干涉振幅互相抵消，从而最大程度的利用了声波能量，实现了声波能量的聚焦。本发明利用换能器阵列空间位置和声波相位的组合可以获得环形螺旋声波，此设备可以作为一种科学研究装置对螺旋声波技术进行更进一步的研究。研究装置对螺旋声波技术进行更进一步的研究。研究装置对螺旋声波技术进行更进一步的研究。
