用于引导流体中的颗粒的设备制造技术

本发明专利技术公开了一种用于对包含在流体中的颗粒进行引导的设备，其包括腔室，该腔室具有：第一壁，该第一壁具有用于产生频率为ｖ的声波的装置；相对置的第二壁，该第二壁能够反射声波，其中第一壁和第二壁限定出一管道，以供流体通过，其中第二壁的厚度使得驻波在第二壁中的路径长度是声波在其中的波长λ↓［ｒ］的约１／２的倍数。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于引导流体中的颗粒的设备。具体地说，本专利技术涉及利用在流体中具有单个压力波节点的超声驻波来把颗粒引导到平面边界的设备，但本专利技术并不局限于这些。
技术介绍
已知，通过在具有悬浮颗粒的流体中产生超声驻波，对颗粒施加一个作用力，这个作用力用来把这些颗粒引导到压力波节点或压力波腹。尤其是，已经知道，在水悬浮液中的细菌被引导朝向压力波节点，这是由于细菌在水悬浮液中的质量密度和声速要比在水中的大。相比较而言，水中的油滴或气泡被引导到压力波腹，这是因为它们在其中的质量密度和声速要比在水中的小。这些声音辐射力的大小和方向已被广泛地描述过。例如见King，L.V.Proc.R.Soc.，1934，伦敦A147，212-240；Yosioka，K.和Kawasima，Y.，Acustica，1955，5，167-173；Gor’kov，L.P.，Sov，Phys.Dokl.，1962，6，773-775；Nyborg，W.L.，J.Acoust.Soc.Am.，1967，42，947-952；Crum，L.A.，ibid.，1971，50，157-163；Gould，R.K.和Coakley，W.T，Proc.1973 Symp.关于流体中的有限幅波效果(Finite-Amplitude Wave Effects in Fluids)(Pergamon出版社，Guildford，英国1974)，第252-257页；Whitworth，G.和Coakley，W.T.，J.Acoust.Soc.Am.，1992，91，79-85和Grschl M.，FundamentalsAcustica-acta acustica，1998，84，432-447。众所周知，在声音驻波系统中的压力波腹通常出现在具有显著不同的声音阻力的材料之间的边界处。例如，在水和不锈钢或玻璃层之间的边界处会出现压力波腹。至今仍不能通过把压力波节点安排到表面来把颗粒引导于边界表面。因此，在US5225089，US5626767，EP0633049，EP0380194中，全都公开了用于对颗粒进行引导的设备，其中，压力波腹位于边界表面处。当期望在流体层中产生具有单一波节点的驻波时，压力波节点在超声驻波系统中的位置尤其重要。这些系统要求流体层的宽度或厚度是驻波在流体中的波长λf的一半或四分之一。这种系统具有半波长厚度，在本文中，这种系统被称作λ/2系统，这种系统在本领域是已知的，并且已由Hawkes，J.J.等人在J.Acoust.soc.Am.，2002，111，1259-1266以及传感器和驱动器(andSensors and Actuators)B，2001，75，213-222中广泛描述过。一声腔包括具有压电陶瓷和不锈钢传输层的第一壁；以及由玻璃制成的第二反射壁。选择声波的频率，以使得玻璃反射器的厚度是驻波在玻璃中波长的四分之一，以便确保系统中的最大能量集中于流体层中。形成在压电陶瓷与钢层，钢层与流体层，以及流体层与玻璃壁的边界处的压力波腹，导致驻波的一压力波节点位于流体层的中央。这种λ/2系统已被用于过滤流体中的一些颗粒(Spengler，J.F.等人，生物分离(Bioseparation)，2001，9，329-341)以及用于把颗粒从一种流体移动到另一种流体(见我们的待审查英国专利申请No.GB0223562.0)。具有四分之一波长厚度的系统在本文中被称作λ/4系统，这种系统类似于上面所描述的系统，这种系统已被认为没有实际价值。由于需要对声波的频率进行选择，以使得玻璃反射器的厚度为驻波在玻璃中的波长的四分之一，因此这对所述系统产生了限制。具体地，只能在流体层与钢层或玻璃壁中的一个或另一个的边界处产生压力波节点。然而，由于在接触空气的边界处也必须产生一压力波节点，因为空气的声阻抗较低，因此在驻波系统中可能会发生相位变化。由于在压电陶瓷处总是发生这种相位变化，从而不象许多实际应用中所期望的那样在流体和玻璃壁之间的边界形生压力波节点，而是在钢层和流体的边界处形生压力波节点。解决这个问题的许多方案都把注意力集中在所谓的在反射壁处的“压力释放”。具体地说，使玻璃反射器的厚度最小化，或者用相对于流体具有类似的声音特性的材料来进行替换。然而，这些方案大部分都是不切实际的或失败了，因为对厚度的要求使得反射器的制造和处理困难，并且在发生机械振动时易破碎，或者是因为不能产生驻波。申请人已发现，在λ/2系统和λ/4系统中，选择反射器的厚度和/或频率对于把颗粒引向一个或多个流体边界面是有实际价值的。
技术实现思路
因此，在本专利技术的一个方面中，本专利技术提供了一种用于对包含在流体中的颗粒进行引导的设备，这种设备包括一腔室，该腔室具有一第一壁，该第一壁具有用于产生频率为v的声波的装置；和一对置的第二壁，该第二壁能反射声波，其中，所述第一壁和第二壁限定有一管道，用于供流体通过，其中第二壁的厚度使得驻波在第二壁中的路径长度是声波在其中的波长λr的约1/2的倍数。应当知道，选择第二壁的厚度(或声波的频率v)以使得驻波在第二壁中的路径长度约为1/2λr，这就导致在两个流体边界面中的一个或两个处都产生压力波节点。尤其是应当知道，第二壁在选择的频率处发生谐振，这导致所述壁相对流体的相对较高的声阻抗被有效地减小至零。此外，尽管系统中的能量被集中在使第二壁发生谐振，但是，在节点处作用在颗粒上的力的大小仍然足以驱动颗粒，使其沿着横贯流体中层流方向行进。在这个方面，发现在选择的厚度或操作频率的情况下，由第二壁的谐振产生的热量所导致所局部温度升高很小(5至10℃)。本专利技术不需要第二壁的厚度或声波的频率v能使得驻波在第二壁中的路径长度正好是声波在其中的波长的1/2λ的倍数。具体地说，本文中所用的术语“约1/2λr的倍数”应被理解为是指路径长度在对于声音在第二壁中的波长λr的n(1/2)倍的理论值的+/-5％内，其中n为包括1在内的偶数或奇数。选择反射器的厚度或声波的频率以使得驻波的路径长度是1/2λr的倍数，但是这种选择不会使局部温度升高至这样的程度，即，使得声音在第二壁中的速度和因此驻波在第二壁中的波长被明显改变。优选地是，n的值为从1至5之间。更优选地是，第二壁的厚度约为1/2λr(n＝1)。应当知道，由于对流体层中的足够能量的要求，对于本专利技术，第一壁的厚度并不重要。优选地是，第一壁的厚度是声波在其中的波长λg的1/2或1/4的奇数倍(n是奇数)。更优选地是，第一壁的厚度是声波在其中的波长λg的1/2。在本专利技术的一些优选实施例中，所述设备还包括与第一壁相接触的材料，这种材料能传输声波。对于本领域而言，众所周知，在第一壁的内表面上还具有一耦合层。该耦合层的厚度对于本专利技术并不是很重要，只要满足能量要求即可。然而，优选的厚度为声波在其中的波长λt的1/4的奇数倍(n为奇数)或声波波长λt的1/2的偶数或奇数倍(n为奇数或偶数)。此外，根据能量要求，管道的宽度在本专利技术中并不受限制。但优选地是，管道的宽度为声波在其中的波长λf的1/4的奇数倍(n为奇数)或波长λf的1/2的偶数或奇数倍(n为奇数或偶数)。当然，如果所述宽度为声波在流体中的波长λf的1/2或1/2的倍数，那么，在流体层中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于对包含在流体中的颗粒进行引导的设备，其包括一腔室，该腔室具有：第一壁，该第一壁具有用于产生频率为ｖ的声波的装置；和相对置的第二壁，该第二壁能反射声波，其中所述第一壁和第二壁限定出一管道，以供流体通过，其中所述第二壁的厚度这样设置，以使得驻波在第二壁中的路径长度是声波在其中的波长λ↓［ｒ］的约１／２的倍数。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：杰里米约翰霍克斯，迈克尔J朗，威廉特伦斯科克利，马丁伯纳德麦克唐奈，
申请(专利权)人：英国国防部，
类型：发明
国别省市：GB[英国]