[发明专利]用于提供非对称振荡的装置和方法

说明书

本发明公开了用于对容器提供非对称振荡的装置和方法。容器可以包含流体、微粒和/或气体。附接至容器的振动驱动器提供非对称振荡。连接至振动驱动器的控制器控制非对称振荡的振幅、频率以及形状。放大器响应于控制器放大非对称振荡。布置在振动驱动器上的传感器为控制器提供反馈。

技术领域

本发明总体上涉及使固体微粒或流体泡沫在流体环境中漂浮、悬浮、移动、流体化或混合。更具体地，本发明涉及通过适当的非正弦振动使固体微粒或流体泡沫在流体的环境中漂浮、悬浮、移动、流体化或混合的装置及方法。

背景技术

存在有多个现有的用于使微粒在流体(液体或气体)中漂浮或悬浮的方法。漂浮方法包括使用电磁力、静电力、声学力以及空气动力。电磁方法和静电方法只能使具有恰当电磁性能的材料漂浮而不能使流体中的气体泡沫漂浮。声学漂浮方法对更广泛的材料有效，但是该材料只能在特定的声学节点处漂浮并不能遍布于整个体积。空气动力的漂浮需要空气或其他流体的净向上的定向流以保持微粒悬浮，并不能同时使泡沫和固体微粒在流体内漂浮。

多个微粒在流体中的悬浮——也称为流体化——还可以通过容器或流体在超过重力加速度的加速度下的振动来实现的。当使用低频振动时，微粒主要通过与容器的底部碰撞或者与其他微粒碰撞而被给予能量。超声波振动通过声波穿过体相流体传递能量，这可以使微粒加速并且保持这些微粒悬浮或使液体的均匀化达到一定水平，该均匀化水平在振动结束会持续很久。然而，如果微粒是较大的或稠密的则所需的能量会比较高，并且不期望的气穴会经常发生。

自从20世纪50年代或者更早，已知的是气体泡沫可以在受到低频(大约100Hz)竖向振动的液体中漂浮。该漂浮被认为部分地由于随着泡沫在液体内上下运动的泡沫体积振荡而产生的。关于这种主题的文献中的力学方程的解预测出泡沫会漂浮在距离液体顶部的一定高度处，这取决于振荡频率和其他因素而非振幅(相比于由于重力引起的加速度，只要加速度的振幅稍微较大)。然而，研究人员已经发现振动的振幅会有一定影响，尽管他们还没有解释原因。

之前的研究人员已经关于作用在空气泡沫上的拖曳力(或者完全忽略拖曳力)做出了假设，所述假设导致了拖曳力本身并不影响漂浮的错误结论。然而，作用在泡沫上的拖曳力可以是复杂的并且通常关于速度不是线性的。尤其是，随着振动的振幅增加，泡沫的最大速度可以增大到拖曳力与速度的平方更成比例的范围中。换句话说，泡沫具有高的雷诺数。研究人员还没有考虑非正弦振动的效应，可能由于研究人员错误地假定响应是线性的。

目前通用的振动测试过程是单频测试、正弦扫频测试、随机测试和跌落测试或冲击测试。这些测试不足以揭示由响应于一些真实世界的非正弦振动的非线性振动引起的显著缺陷(或特征)。可以通过利用增强或显露非线性振动响应的非正弦振动来极大地改善振动测试。能够极大地受益于改善的振动测试的一个特别的行业是包括电池系统、机载燃料储存和传输系统以及其他多相系统的航空航天行业。缺乏充足的振动测试会有严重的后果，会导致航空灾难和飞行器着陆成本高。

目前的用于气穴的研究或使用的设备和方法具有有限的能力以独立于振动的其他影响来控制气穴的强度或可能性。通常，通过单频驱动的超声波换能器浸在流体中并且超声处理的效应集中在换能器的表面附近。可以通过减小功率或其他参数以及降低超声处理的其他期望的效应来减少或消除气穴。为了实现单泡沫的声致发光，研究人员通常通过需要非常特殊的驱动频率的声压驻波使单个泡沫漂浮并且使单个泡沫稳定。最近开发的另一种方法通过使用其中大约半满液体的“水锤管”实现了稳定的声致发光。通过单频外部驱动，会夹带一些泡沫并且所述泡沫受到“负”浮力作用而下降至管的底部。在不改变振动的频率或振幅的情况下这种效应无法得到控制，该效应影响泡沫的尺寸以及泡沫的声致发光。