超聲懸浮技術(shù)是一種利用超聲波產(chǎn)生的聲壓場(chǎng)使物體懸浮的技術(shù)，具有非接觸、無(wú)容器處理的優(yōu)勢(shì)。高壓功率放大器在超聲懸浮實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，為超聲波換能器提供高功率信號(hào)，驅(qū)動(dòng)其產(chǎn)生所需的超聲波。

圖：高壓功率放大器在超聲駐波多層懸浮試驗(yàn)及仿真研究中的應(yīng)用

一、超聲懸浮實(shí)驗(yàn)原理

超聲懸浮的原理是依靠壓電換能器產(chǎn)生聲源振動(dòng)，聲波在輻射面和反射面間多次反射疊加形成駐波。當(dāng)激勵(lì)信號(hào)滿足一定條件時(shí)，產(chǎn)生的聲壓梯度力克服物體重量，實(shí)現(xiàn)物體的豎直懸浮，水平方向的定位力則將物體固定在聲壓節(jié)點(diǎn)處。不同的激勵(lì)信號(hào)會(huì)導(dǎo)致聲壓節(jié)點(diǎn)位置和數(shù)量不同，從而可在不同位置懸浮物體。

二、高壓功率放大器在超聲懸浮實(shí)驗(yàn)中的作用

（一）提供高功率信號(hào)

超聲懸浮實(shí)驗(yàn)中，壓電陶瓷換能器需要高功率信號(hào)才能產(chǎn)生足夠強(qiáng)度的超聲波。高壓功率放大器可將信號(hào)發(fā)生器輸出的低電壓信號(hào)放大到高功率水平，驅(qū)動(dòng)換能器工作。如西安安泰電子的ATA-4000系列高壓功率放大器，能輸出高功率信號(hào)，滿足不同實(shí)驗(yàn)需求。

（二）精確控制實(shí)驗(yàn)條件

高壓功率放大器可精確調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的幅值、頻率和相位，實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波的精確控制。通過(guò)改變放大器的輸出，可調(diào)整聲波強(qiáng)度和頻率，適應(yīng)不同材料和實(shí)驗(yàn)要求，優(yōu)化懸浮效果。

（三）實(shí)現(xiàn)多層懸浮與定向運(yùn)輸

通過(guò)精確控制聲場(chǎng)分布，高壓功率放大器可實(shí)現(xiàn)物體的多層懸浮和定向運(yùn)輸。調(diào)節(jié)聲場(chǎng)參數(shù)，可使多個(gè)物體在不同聲壓節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定懸浮，并按設(shè)定路徑運(yùn)輸。

圖：ATA-4014C高壓功率放大器指標(biāo)參數(shù)

三、超聲懸浮實(shí)驗(yàn)的類型

（一）單層懸浮實(shí)驗(yàn)

這是最基本的超聲懸浮實(shí)驗(yàn)，通過(guò)高壓功率放大器驅(qū)動(dòng)換能器產(chǎn)生超聲波，形成駐波場(chǎng)，將物體懸浮在聲壓節(jié)點(diǎn)處。實(shí)驗(yàn)裝置包括信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、換能器、反射端等。調(diào)節(jié)信號(hào)頻率和幅值，使物體穩(wěn)定懸浮，用于研究懸浮原理和基本特性。

（二）多層懸浮實(shí)驗(yàn)

在此實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)調(diào)節(jié)聲場(chǎng)參數(shù)，如信號(hào)發(fā)生器輸出頻率、諧振腔長(zhǎng)度等，形成多個(gè)聲壓節(jié)點(diǎn)，使多個(gè)物體在不同層次懸浮。如使用高壓功率放大器，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器輸出頻率為40kHz、幅值為20Vrms、占空比為50%的方波信號(hào)，調(diào)整諧振腔長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)了8個(gè)聚苯乙烯小球在空氣中的穩(wěn)定懸浮。

（三）深過(guò)冷材料制備實(shí)驗(yàn)

利用超聲駐波聲場(chǎng)的深過(guò)冷特性，可在懸空中冷卻液體材料，制備出組織細(xì)化、均勻、高性能的材料。實(shí)驗(yàn)中，高壓功率放大器驅(qū)動(dòng)換能器產(chǎn)生超聲波，形成駐波場(chǎng)，將液體材料懸浮其中并冷卻。該方法可避免容器壁對(duì)材料結(jié)晶的干擾，提高材料性能，適用于金屬合金、陶瓷等材料的制備。

（四）生物樣本懸浮與分析實(shí)驗(yàn)

在生物化學(xué)分析領(lǐng)域，超聲懸浮技術(shù)可用于生物樣本的懸浮與分析。實(shí)驗(yàn)中，高壓功率放大器驅(qū)動(dòng)換能器產(chǎn)生超聲波，將生物樣本懸浮在聲壓節(jié)點(diǎn)處，可避免容器壁對(duì)樣本的污染和干擾，提高檢測(cè)精度。該實(shí)驗(yàn)適用于細(xì)胞、蛋白質(zhì)、核酸等生物樣本的分析。

圖：ATA-4000系列高壓功率放大器指標(biāo)參數(shù)

ATA-4000系列是一款理想的可放大交、直流信號(hào)的高壓功率放大器。最大輸出310Vp-p(±155Vp)電壓，547.1Wp功率，可以驅(qū)動(dòng)高壓功率型負(fù)載。電壓增益，直流偏置數(shù)控精細(xì)可調(diào)，為客戶提供了豐富的測(cè)試選擇。

ATA-4000系列高壓功率放大器應(yīng)用場(chǎng)景：超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)、軟磁測(cè)試、無(wú)損檢測(cè)、磁芯損耗測(cè)試、驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷、超聲換能器。

高壓功率放大器在超聲懸浮實(shí)驗(yàn)中具有重要作用，能夠?yàn)閷?shí)驗(yàn)提供高功率信號(hào)、精確控制實(shí)驗(yàn)條件，并實(shí)現(xiàn)多層懸浮與定向運(yùn)輸?shù)裙δ?。通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)，可深入研究超聲懸浮技術(shù)的原理和應(yīng)用，推動(dòng)其在材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

審核編輯 黃宇