CN105999979B - 一种离散差分壁面操控悬浮颗粒的装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种离散差分壁面操控悬浮颗粒的装置及其方法，主要包括：Helmholtz声源，混合流体，信号发生器，由有声源边壁面和无声源边壁面组成正多边形腔的边壁面；任意相邻的两个有声源边壁面之间间隔相同数量的无声源边壁面；在每一个有声源边壁面上设有一个Helmholtz声源，信号发生器分别接各Helmholtz声源中的扬声器，Helmholtz声源的数量小于正多边形腔的边壁面的数量，Helmholtz声源在正多边形腔的边壁面上的位置满足在正多边形腔的边壁面上任意相邻两个Helmholtz声源之间间隔的无声源边壁面的数量相等。本发明能够充分利用壁面夹角和无声源壁面，根据工作声源的数量，改变正多边形腔内有/无悬浮颗粒的区域。
Description
技术领域
本发明属于对由悬浮颗粒和气体介质组成的混合流体进行分离的装置技术领域，具体涉及一种离散差分壁面操控悬浮颗粒的装置及其方法。
背景技术
对悬浮颗粒和气体介质组成混合流体的重新分离技术研发，能够促进实现混合流体中悬浮颗粒在特定区域聚集的技术发展。日常扫除街道分散垃圾时，整片清扫地面分散碎屑集中到少许几个离散小堆，方便集中清理碎屑小堆。借鉴碎屑从大片地面分散到局部小堆聚集的处理方式，操纵混合流体中的大量悬浮颗粒聚集在特定区域有利于空气中悬浮颗粒的集中清除。
基于波在特定介质中可以远距离传播的宏观与微观能量传递特性，相同的声波能够在大尺寸有限空间内激发可用声场分布表达的声学能量场。在声学能量场的作用下，空间内混合流体中的悬浮颗粒能够向特定若干离散的空间区域运动并聚集。
专利CN105032110提出一种二维声场迁移悬浮颗粒物的方法及装置。该方法采用正多边形腔耦合各边上具有的Helmholtz声源，在全部Helmholtz声源辐射声波的同时激励下实现悬浮颗粒物在二维声场中的迁移聚集。该技术方案中，正多边形的边数与Helmholtz声源的个数一致，当多边形的边数过多时，Helmholtz声源的数量随之增加，装置复杂度增加。此外，未考虑正多边形的边壁面对增加悬浮颗粒清除区域面积的突出操纵效果。
数学上，在圆线上增加多个等分点后，圆可等效为由离散的等分点和两点差分线段连接成的多边形。基于此，圆柱腔可等效为多边形柱腔。考虑到圆上光滑的弧线离散差分为非光滑连接的多条线段，柱腔侧壁面是离散差分壁面。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种离散差分壁面操控悬浮颗粒的装置及其方法，利用离散差分壁面辅助多极声源操控悬浮颗粒的迁移和聚集。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种离散差分壁面操控悬浮颗粒的装置，包括正多边形腔和对称设于其上的Helmholtz声源，
所述正多边形腔内部的边壁面由有声源边壁面和无声源边壁面组成，任意相邻的两个有声源边壁面之间间隔相同数量的无声源边壁面；
所述边壁面的中心开设有通孔，穿过对称的两个所述有声源边壁面；
在所述有声源边壁面上设有所述Helmholtz声源，所述Helmholtz声源与信号发生器连接。
进一步的，所述正多边形腔为由上下两个盖板和所述边壁面组成的半封闭腔体，高度小于所述Helmholtz声源的声波的半波长，以正多边形腔的中心为对称点的两个对边之间的距离不小于四分之一波长；所述正多边形腔的边数为大于的偶数。
进一步的，所述Helmholtz声源为由扬声器、空腔和所述通孔组成的半封闭空腔；所述Helmholtz声源对应的所述有声源边壁面所在的腔体上设置有所述扬声器，两者之间形成所述空腔；
所述通孔的横截面面积小于所述空腔的横截面面积。
进一步的，所述Helmholtz声源的扬声器与所述信号发生器连接，所述扬声器为电磁式扬声器。
进一步的，所述Helmholtz声源的数量小于所述正多边形腔的边壁面的数量，所述Helmholtz声源在所述边壁面上的位置满足在所述边壁面上任意相邻两个Helmholtz声源之间间隔的所述无声源边壁面的数量相等。
进一步的，所述信号发生器具有功率输出功能。
进一步的，所述信号发生器的工作频率、Helmholtz声源的共振频率、正多边形腔的共振频率三种频率相等。
进一步的，混合流***于所述正多边形腔内，所述混合流体由悬浮颗粒和气体介质均匀混合而成；所述悬浮颗粒的等效粒径不大于10μm。
一种离散差分壁面操控悬浮颗粒的装置的方法，包括以下步骤：
1)信号发生器产生频率信号，驱动Helmholtz声源从通孔向正多边形腔内辐射相同声波；
2)通过所述边壁面的回音效应，经离散差分壁面对声波的多次反射，使多束反射波和入射波相互交织并重新组合，在正多边形腔的有限空间内构成特定的复合声场，使混合流体中的悬浮颗粒在腔内聚散分布；
3)悬浮颗粒聚集在了具有圆弧形边界的悬浮颗粒聚集区，产生了无颗粒区。
进一步的，所述步骤3中，在无颗粒区与无声源边壁面的相接区域，形成长线边界的与边壁面平行的无颗粒区的近壁边界；
正对离散差分壁面的穿过腔体中心的对角线，与悬浮颗粒聚集区边界弧线的切点限定了所述悬浮颗粒聚集区边界弧线在远离其内部声源的方向不超过对角线；
以所述悬浮颗粒聚集区边界弧线和相邻两条对角线之间的无声源边壁面为边界形成无悬浮颗粒聚集区。
本发明在每一个有声源边壁面上设有一个Helmholtz声源，信号发生器分别接各Helmholtz声源中的扬声器，Helmholtz声源的数量小于正多边形腔的边壁面的数量，Helmholtz声源在正多边形腔的边壁面上的位置满足在正多边形腔的边壁面上任意相邻两个Helmholtz声源之间间隔的无声源边壁面的数量相等。本发明能够充分利用壁面夹角和无声源壁面，根据工作声源的数量，改变正多边形腔内有/无悬浮颗粒的区域。
有益效果：本发明提供的离散差分壁面操控悬浮颗粒的装置及其方法，利用离散差分壁面，采用多边形的边数大于Helmholtz声源的个数的方法，具有以下有益效果：
1)通过改变多边形壁面上声源个数的方法，改变有/无悬浮颗粒的区域。
2)多边形壁面上声源个数减少后，能够降低装置结构的复杂度，减小装置部件个数；在装置运行时，相比更多数量的工作声源，可以减少声源发声需要消耗的能量。
3)能够借助相邻壁面交接的具有夹角的棱，使多边形对角线成为形成悬浮颗粒聚集区的约束边界。
4)能够实现的无悬浮颗粒区域的部分长线边界与装置的部分离散差分壁面重合。
附图说明
图1为本发明的一种离散差分壁面操控悬浮颗粒的装置的离散差分壁面的一种构造方法示意图；
图2为本发明的正十六边形腔耦合四个声源的一种离散差分壁面操控悬浮颗粒的装置示意图；
图3为本发明的正十六边形腔耦合四个声源的一种离散差分壁面操控悬浮颗粒的装置操纵悬浮颗粒的效果示意图；
图4为本发明的正十六边形腔耦合四个声源的一种离散差分壁面操控悬浮颗粒的装置的边壁面对角线影响悬浮颗粒操纵效果的示意图；
图5为本发明的正十六边形腔耦合两个声源的一种离散差分壁面操控悬浮颗粒的装置操纵悬浮颗粒的效果示意图；
图6为本发明的正十六边形腔耦合两个声源的一种离散差分壁面操控悬浮颗粒的装置的边壁面对角线影响悬浮颗粒操纵效果的示意图；
图7为本发明的正十六边形腔耦合四个工作声源的一种离散差分壁面操控悬浮颗粒的装置操纵悬浮颗粒的效果示意图；
图8为本发明的正十六边形腔耦合四个工作声源的一种离散差分壁面操控悬浮颗粒的装置的边壁面对角线影响悬浮颗粒操纵效果的示意图。
图中：Helmholtz声源1，信号发生器2，正十六边形腔3，有声源边壁面3-1和无声源边壁面3-2，边壁面4，无颗粒区5，无颗粒区的近壁边界5-1，悬浮颗粒聚集区6，悬浮颗粒聚集区边界弧线6-1，对角线7，对角线与悬浮颗粒聚集区边界弧线的切点7-1，圆线8，离散点9，差分线段10。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
本发明以下实施例的一种离散差分壁面操控悬浮颗粒的装置离散差分壁面的一种构造方法如图1所示，圆线8被十六个离散点9十六等分，对相邻两个离散点进行两点差分形成十六条相连的具有夹角的差分线段10，构成由离散差分线段组成的正十六边形，进一步的，沿正十六边形的法线方向拓展正十六边形产生离散差分壁面，成为正十六边形腔的边壁面。
一种离散差分壁面操控悬浮颗粒的装置，如图1所示，包括正多边形腔3和对称设于其上的Helmholtz声源1，正多边形腔3内部的边壁面4由有声源边壁面3-1和无声源边壁面3-2组成，任意相邻的两个有声源边壁面3-1之间间隔相同数量的无声源边壁面3-2；边壁面4的中心开设有通孔1-3，穿过对称的两个有声源边壁面3-1，正多边形腔3以通孔1-3与外界相通；在有声源边壁面3-1上设有Helmholtz声源1，Helmholtz声源1与信号发生器2连接。
其中，正多边形腔3为由上下两个盖板和边壁面4组成的半封闭腔体，高度小于半波长，以正多边形腔3的中心为对称点的两个对边之间的距离不小于四分之一波长；正多边形腔的边数为大于5的偶数。混合流***于正多边形腔3内，混合流体由悬浮颗粒和气体介质均匀混合而成；悬浮颗粒的等效粒径不大于10μm。
Helmholtz声源1为由扬声器1-1、空腔1-2和通孔1-3组成的半封闭空腔；Helmholtz声源1对应的有声源边壁面3-1所在的腔体上设置有扬声器1-1，两者之间形成空腔1-2；通孔1-3的横截面面积小于空腔1-2的横截面面积。Helmholtz声源1的扬声器1-1与信号发生器2连接，信号发生器2具有功率输出功能，扬声器1-1为电磁式扬声器。Helmholtz声源1的数量小于正多边形腔3的边壁面4的数量，Helmholtz声源1在边壁面4上的位置满足在边壁面4上任意相邻两个Helmholtz声源1之间间隔的无声源边壁面3-2的数量相等。
信号发生器2的工作频率、Helmholtz声源1的共振频率、正多边形腔3的共振频率三种频率相等。其中，Helmholtz声源1的共振频率为组成Helmholtz声源1的半封闭空腔的共振频率。
一种离散差分壁面操控悬浮颗粒的装置的方法，包括以下步骤：
1)信号发生器2产生频率信号，驱动Helmholtz声源1从通孔1-3向正多边形腔3内辐射相同声波；
2)通过边壁面4的回音效应，经离散差分壁面对声波的多次反射，使多束反射波和入射波相互交织并重新组合，在正多边形腔3的有限空间内构成特定的复合声场，使混合流体中的悬浮颗粒在腔内聚散分布；
3)悬浮颗粒聚集在了具有圆弧形边界的悬浮颗粒聚集区6，产生了无颗粒区5。
进步骤3)中，在无颗粒区5与无声源边壁面3-2的相接区域，形成长线边界的与边壁面4平行的无颗粒区5的近壁边界5-1；正对离散差分壁面的穿过腔体中心的对角线7，与悬浮颗粒聚集区边界弧线6-1的切点7-1限定了悬浮颗粒聚集区边界弧线6-1在远离其内部声源的方向不超过对角线7；以悬浮颗粒聚集区边界弧线6-1和相邻两条对角线7之间的无声源边壁面3-2为边界形成无悬浮颗粒聚集区。
上述的一种离散差分壁面操控悬浮颗粒的装置的工作原理及过程是：信号发生器产生频率信号驱动Helmholtz声源从通孔向正十六边形腔辐射相同声波，通过壁面回音效应，经边离散差分壁面对声波的多次反射，使多束反射波和入射波相互交织并重新组合，在正十六边形的有限空间内构成特定的复合声场，使混合流体中的悬浮颗粒在正十六边形腔内聚散分布。
实施例1
图3为本发明的一种实施例的装置操纵悬浮颗粒的效果示意图，多边形腔为正十六边形，Helmholtz声源个数为4个。在边壁面和工作声源的共同作用下，悬浮颗粒聚集在了具有圆弧形边界的悬浮颗粒聚集区6，产生了无颗粒区5，在无颗粒区5与无声源边壁面的相接区域，形成长线边界的与壁面平行的无颗粒区的近壁边界5-1，使无悬浮颗粒区域的部分长线边界与装置的部分离散差分壁面重合，增加了近壁面附近无悬浮颗粒区域的面积。
图4为本发明的一种实施例的装置的边壁面对角线影响悬浮颗粒操纵效果的示意图，多边形腔为正十六边形，Helmholtz声源数量为4个。对角线7为正对离散差分壁面的过正十六边形腔中心的对角线，对角线与悬浮颗粒聚集区边界弧线的切点7-1限定了悬浮颗粒聚集区的边界弧线6-1在远离弧线内部声源的方向不能超过对角线7，使悬浮颗粒聚集在弧线的内部，进一步的，以悬浮颗粒聚集区的边界弧线和相邻两条对角线7之间的无声源壁面为边界形成无悬浮颗粒聚集区。其中，相邻两条对角线7之间的无声源壁面的尺寸大小决定了无悬浮颗粒聚集区在近壁面附近的尺寸大小。
实施例2
图5为本发明的一种实施例的装置操纵悬浮颗粒的效果示意图，多边形腔为正十六边形，Helmholtz声源数量为2个。无悬浮颗粒区在近壁面附近的尺寸大于无悬浮颗粒区的中部区域。
图6为本发明的一种实施例的装置的边壁面对角线影响悬浮颗粒操纵效果的示意图，多边形腔为正十六边形，Helmholtz声源数量为2个。对角线7通过对角线与悬浮颗粒聚集区边界弧线的切点7-1把悬浮颗粒聚集区6限制在了两条对角线7之间。在正十六边形腔的近壁面附近，无颗粒区5接触的正十六边形的边数量与悬浮颗粒聚集区6接触的正十六边形的边数量近似相同。
实施例3
图7为本发明的一种实施例的装置操纵悬浮颗粒的效果示意图，多边形腔为正十六边形，Helmholtz声源数量为16个，工作的Helmholtz声源数量为4个，其余12个耦合有非工作Helmholtz声源的壁面等效为无声源壁面。无颗粒区5和悬浮颗粒聚集区6的区域分布结构与实施例图3示意效果相同。
图8为本发明的一种实施例的装置的边壁面对角线影响悬浮颗粒操纵效果的示意图，Helmholtz声源数量为16个，工作的Helmholtz声源数量为4个，其余12个耦合有非工作Helmholtz声源的壁面等效为无声源壁面。对角线7把悬浮颗粒聚集区限制在了包括有一个工作Helmholtz声源的任意两条相邻对角线之间。
由实施例1可知，4个Helmholtz声源实现了在无颗粒区5的近壁区域形成了4个与边壁面平行的无颗粒区的近壁边界5-1，无悬浮颗粒区域的4个长线边界与装置的4个离散差分壁面重合。相比12个边壁面设置有12个工作Helmholtz声源的情况，依据离散差分壁面的长度，近壁边界5-1增加了靠近壁面附近无悬浮颗粒区域的面积。
由实施例2可知，2个Helmholtz声源实现了在无颗粒区5的近壁区域形成了2个与边壁面平行的无颗粒区的近壁边界。根据两条悬浮颗粒聚集区边界弧线6-1的相对弯曲方向，在无颗粒区域5内靠近壁面的区域的尺寸大于靠近多边形腔中心的区域的尺寸。无悬浮颗粒区域的2个近壁边界与装置的离散差分壁面重合，每个近壁边界上有3个与之重合的完整的离散差分壁面。
由实施例3可知，4个工作Helmholtz声源实现了在无颗粒区5的近壁区域形成了4个与边壁面平行的无颗粒区的近壁边界5-1，无悬浮颗粒区域的4个长线边界与装置的4个离散差分壁面重合。对比实施例1，在正十六边形腔的所有壁面上都有Helmholtz声源结构时，实施例3中不工作的Helmholtz声源的边壁面等效为实施例1中的无声源边壁面，装置对悬浮颗粒操纵的效果相似。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种离散差分壁面操控悬浮颗粒的装置的方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)信号发生器(2)产生频率信号，驱动Helmholtz声源(1)从通孔(1-3)向正多边形腔(3)内辐射相同声波；
2)通过所述边壁面(4)的回音效应，经离散差分壁面对声波的多次反射，使多束反射波和入射波相互交织并重新组合，在正多边形腔(3)的有限空间内构成特定的复合声场，使混合流体中的悬浮颗粒在腔内聚散分布；
3)悬浮颗粒聚集在了具有圆弧形边界的悬浮颗粒聚集区(6)，产生了无颗粒区(5)，在无颗粒区(5)与无声源边壁面(3-2)的相接区域，形成无颗粒区的近壁边界(5-1)，所述无颗粒区的近壁边界(5-1)为长线边界，所述无颗粒区的近壁边界(5-1)与边壁面(4)平行；
正对离散差分壁面的穿过腔体中心的对角线(7)，与悬浮颗粒聚集区边界弧线(6-1)的切点(7-1)限定了所述悬浮颗粒聚集区边界弧线(6-1)在远离其内部声源的方向不超过对角线(7)；
以所述悬浮颗粒聚集区边界弧线(6-1)和相邻两条对角线(7)之间的无声源边壁面(3-2)为边界形成无悬浮颗粒聚集区；
该离散差分壁面操控悬浮颗粒的装置的方法所用的离散差分壁面操控悬浮颗粒的装置，包括正多边形腔(3)和对称设于其上的Helmholtz声源(1)，
所述正多边形腔(3)内部的边壁面(4)由有声源边壁面(3-1)和无声源边壁面(3-2)组成，任意相邻的两个有声源边壁面(3-1)之间间隔相同数量的无声源边壁面(3-2)；
所述边壁面(4)的中心开设有通孔(1-3)，穿过对称的两个所述有声源边壁面(3-1)；
在所述有声源边壁面(3-1)上设有所述Helmholtz声源(1)，所述Helmholtz声源(1)与信号发生器(2)连接。
2.根据权利要求1所述的离散差分壁面操控悬浮颗粒的装置的方法，其特征在于：所述正多边形腔(3)为由上下两个盖板和所述边壁面(4)组成的半封闭腔体，高度小于所述Helmholtz声源(1)的声波的半波长，以正多边形腔(3)的中心为对称点的两个对边之间的距离不小于四分之一波长；所述正多边形腔的边数为大于5的偶数。
3.根据权利要求1所述的离散差分壁面操控悬浮颗粒的装置的方法，其特征在于：所述Helmholtz声源(1)为由扬声器(1-1)、空腔(1-2)和所述通孔(1-3)组成的半封闭空腔；所述Helmholtz声源(1)对应的所述有声源边壁面(3-1)所在的腔体上设置有所述扬声器(1-1)，两者之间形成所述空腔(1-2)；
所述通孔(1-3)的横截面面积小于所述空腔(1-2)的横截面面积。
4.根据权利要求3所述的离散差分壁面操控悬浮颗粒的装置的方法，其特征在于：所述Helmholtz声源(1)的扬声器(1-1)与所述信号发生器(2)连接，所述扬声器(1-1)为电磁式扬声器。
5.根据权利要求1所述的离散差分壁面操控悬浮颗粒的装置的方法，其特征在于：所述Helmholtz声源(1)的数量小于所述正多边形腔(3)的边壁面(4)的数量，所述Helmholtz声源(1)在所述边壁面(4)上的位置满足在所述边壁面(4)上任意相邻两个Helmholtz声源(1)之间间隔的所述无声源边壁面(3-2)的数量相等。
6.根据权利要求1所述的离散差分壁面操控悬浮颗粒的装置的方法，其特征在于：所述信号发生器(2)具有功率输出功能。
7.根据权利要求1所述的离散差分壁面操控悬浮颗粒的装置的方法，其特征在于：所述信号发生器(2)的工作频率、Helmholtz声源(1)的共振频率、正多边形腔(3)的共振频率三种频率相等。
8.根据权利要求1所述的离散差分壁面操控悬浮颗粒的装置的方法，其特征在于：混合流***于所述正多边形腔(3)内，所述混合流体由悬浮颗粒和气体介质均匀混合而成；所述悬浮颗粒的等效粒径不大于10μm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |