一种光声耦合迁移悬浮颗粒物的装置技术领域
本发明涉及一种对由悬浮颗粒和气体介质组成的混合流体进行分离的光声耦合迁移
悬浮颗粒物的装置。
背景技术
当强光束在照射均匀悬浮在气体中的大量悬浮颗粒物时，由于悬浮颗粒物对光线的阻
挡作用，光束能够穿透悬浮颗粒气体的距离减小，如丁达尔现象。例如，雾霾天室外的光
照强度远低于晴天的光照强度，空气中的大量悬浮颗粒对光吸收作用阻碍了光辐射的传
播；进一步，太阳光线具有的能量被悬浮颗粒吸收，成为悬浮颗粒在空气中做不规则运动
的动能的一个来源。一般而言，夏季晴天的太阳光线长时间照射到路面上尺寸较大的不透
明物体后，物体会吸收太阳光线辐射并且提高自身的温度；而对于尺寸更小的悬浮在空气
中的大量不透明小尺寸悬浮颗粒而言，悬浮颗粒的温度升高后，布朗运动加强，悬浮颗粒
无规则运动的程度急剧增加。基于此，当一定宽度的强光束射入到具有悬浮颗粒的气体介
质上时，光束通道上的悬浮颗粒无规则运动的强度增加。依据布朗运动，理论上而言，这
些剧烈运动的大量无规则运动的悬浮颗粒朝向各个方向运动的颗粒数量基本相同。对比有
/无光束照射到的部位，光束通路上的悬浮颗粒无规则运动的颗粒动能大于光束通路以外
的悬浮颗粒所具有的动能。因此可以总结为，光束通路上所具有的悬浮颗粒的无规则运动
能量较强，光束通路以外的悬浮颗粒的无规则运动能量较弱。
目前国内外，对于把混合流体介质中悬浮颗粒和气体分离开的技术研究中，并没有出
现通过调控悬浮颗粒的有规则运动能量和无规则运动能量的平衡，从而实现有规则运动的
悬浮颗粒要运动穿过由大量无规则运动的悬浮颗粒构成的“屏障”时，基于这两部分悬浮
颗粒的接触或碰撞，最终减弱了悬浮颗粒有规则运动的方向性，使有规则运动的悬浮颗粒
运动至“屏障”区域时穿透“屏障”的能力下降而保留在“屏障”区域中，进而在“屏障”
区域产生聚集效应。随着聚集效应的持续进行，相比有规则运动悬浮颗粒的初始位置来说，
由于初始位置附近的悬浮颗粒被持续传输送离开，构成近似无悬浮颗粒的悬浮颗粒“真空”
区域。相比均匀混合的悬浮颗粒-气体介质，“屏障”区产生的悬浮颗粒聚集效应和悬浮颗
粒“真空”区域产生了均匀混合后的悬浮颗粒和气体在空间上进行重新分离的效果。
发明内容
发明目的：为克服现有技术不足，本发明旨于提供一种利用调控悬浮颗粒的有规则运
动能量和无规则运动能量的平衡的光声耦合迁移悬浮颗粒物的装置。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种光声耦合迁移悬浮颗粒物的装置，包括封闭空间，平行光束、混合介质和
Helmholtz共振器声源，所述封闭空间为长方体空腔结构，包括四个立面、顶面和底面；
Helmholtz共振器声源对称布置在封闭空间的四个立面，构成四极声源，在四极声源的作
用下，在封闭空间内形成非均匀的二维声驻波场；所述混合介质由气体介质和均匀分散在
气体介质中的悬浮颗粒组成填充在封闭空间内；所述平行光束穿过封闭空间，把封闭空腔
内的混合介质由上至下划分为无光束穿过的第一区域、有光束穿过的第二区域和无光束穿
过的第三区域。
工作原理：本发明光声耦合迁移悬浮颗粒物的装置,将光照和声场耦合，利用光线照
射悬浮颗粒并被悬浮颗粒吸收，从而使悬浮颗粒无规则运动能量增加；利用二维声驻波场
使悬浮颗粒的有规则运动能量增加；通过调控悬浮颗粒的有规则运动能量和无规则运动能
量的平衡，从而实现悬浮颗粒和气体介质的分离:
1)二维声驻波场操纵悬浮颗粒在封闭腔内按照驻波场的特点在整个封闭腔内进行有
序运动；
2)平行光束照射位置的大量悬浮颗粒在吸收光束中的能量后，对应位置悬浮颗粒的
不规则运动强度增加；当二维声驻波场操纵封闭空腔内的大量悬浮颗粒有序运动到平行光
束照射到的位置时，受到正在进行不规则运动的悬浮颗粒的碰撞阻碍，使有序运动的悬浮
颗粒的定向运动的运动方向改变。对于大量有序运动的悬浮颗粒而言，因为和无序运动的
悬浮颗粒的碰撞，导致碰撞后大量有序运动的悬浮颗粒的运动方向的不确定性。结果使这
些本来有序运动悬浮颗粒的运动方向定向性消失，并局限在光束照射到的位置。最终形成
大量悬浮颗粒聚集在封闭空腔内光束照射到的部位。
在封闭空间中产生的二维声驻波场能够迁移该封闭空间内悬浮在气体介质中的小尺
寸悬浮颗粒在封闭空间内进行远距离的遵从二维声驻波场的定向运动；总结为，悬浮颗粒
在二维声驻波的驱动作用下产生了有规则的定向运动，悬浮颗粒获得了有规则运动的能量,
称为悬浮颗粒的有规则运动能量；对比有/无二维声驻波场的作用，二维声驻波场作用的
悬浮颗粒具有与二维声驻波场相对应的有规则运动能量；因此可以总结为，二维声驻波场
作用下的悬浮颗粒的有规则运动能量较强。
所述封闭空间在平行光束射入位置的立面的透光率大于90％，所述平行光束的截面
面积小于平行光束所穿过封闭空间的法向截面面积；所述平行光束的波长为0.38～0.76μm；
所述平行光束的横截面上的照度大于1000lux，能提供足够多的光照能量使被照射悬浮颗
粒在接受光波照射并吸收光波后获得足够多的做无规则运动的动能。
所述封闭空间的长宽相等且大于声波的一个波长；封闭空间的高度不大于声波的半波
长，能在封闭空间内产生二维声驻波场。
所述二维声驻波场为非均匀的二维声驻波场；所述二维声驻波场的最大声压大于
100Pa，能使二维声驻波场内具有足够多的声场能量，满足悬浮颗粒在做遵从二维声驻波
场的有序运动时，具有一定程度的抵抗外部扰动的能力。
所述Helmholtz共振器声源由扬声器、圆形空腔、圆形短管由外到内依次串联而成，
圆形空腔的体积和结构以及圆形短管的长度和横截面面积服从Helmholtz共振器的设计原
则；Helmholtz共振器的共振频率与二维声驻波场的声波频率相同，利用Helmholtz共振
器的声压放大原理，能实现由扬声器产生的小振幅声压也能产生足够强的强驻波声场。
所述封闭空间是全封闭空间，能有效利用组成封闭空间的壁面在声驻波场形成过程中
所起的积极作用。
所述封闭空间是半封闭空间，封闭率大于50％，能在保证有效利用组成封闭空间的
壁面在声驻波场形成过程中所起的积极作用的同时，可以设置通道，进而允许封闭腔体内
的悬浮颗粒和悬浮介质进出装置，有助于操纵混合流体中悬浮颗粒和气体介质分离的连续
性。
所述平行光束为自然光能不直接显示偏振现象。
本发明未提及的技术均为现有技术。
有益效果：本发明结构简单，操作方便，能通过将光照和声场耦合，调控悬浮颗粒的
有规则运动能量和无规则运动能量的平衡，从而实现悬浮颗粒和气体介质的分离。
附图说明
图1本发明光声耦合迁移悬浮颗粒物的装置结构示意图；
图2本发明光声耦合迁移悬浮颗粒物的装置的工作流程示意图；
图3本发明光声耦合迁移悬浮颗粒物的装置的Helmholtz共振器声源的结构示意图；
图中，1为封闭空间、2为平行光束、3为二维声驻波场、4为混合介质、4-1为第一
区域、4-1-1为第一区域中悬浮颗粒的迁移方向、4-2为第二区域、4-2-1为第二区域中
悬浮颗粒的迁移方向、4-3为第三区域、4-3-1为第三区域中悬浮颗粒的迁移方向、5为
Helmholtz共振器、5-1为扬声器、5-2为圆形空腔、5-3为圆形短管。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容
不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
如图1-3所示，一种光声耦合迁移悬浮颗粒物的装置，包括封闭空间1，平行光束2、
混合介质4和Helmholtz共振器5声源，封闭空间1为长方体空腔结构，包括四个立面、
顶面和底面；Helmholtz共振器5声源对称布置在封闭空间1的四个立面，构成四极声源，
在四极声源的作用下，在封闭空间1内形成非均匀的二维声驻波场3；混合介质4由气体
介质和均匀分散在气体介质中的悬浮颗粒组成填充在封闭空间1内；平行光束2穿过封闭
空间1，把封闭空腔内的混合介质4由上至下划分为无光束穿过的第一区域4-1、有光束
穿过的第二区域4-2和无光束穿过的第三区域4-3；封闭空间1在平行光束2射入位置的
立面的透光率大于90％，平行光束2的截面面积小于平行光束2所穿过封闭空间1的法
向截面面积；平行光束2的波长为0.38μm；平行光束2的横截面上的照度大于1000lux；
封闭空间1的长宽相等且大于声波的一个波长；封闭空间1的高度不大于声波的半波长；
二维声驻波场3为非均匀的二维声驻波场3；二维声驻波场3的最大声压大于100Pa；
Helmholtz共振器5声源由扬声器5-1、圆形空腔5-2、圆形短管5-3由外到内依次串联而
成，圆形空腔5-2的体积和结构以及圆形短管5-3的长度和横截面面积服从Helmholtz共
振器5的设计原则；Helmholtz共振器5的共振频率与二维声驻波场3的声波频率相同，
封闭空间1是全封闭空间1。
本发明光声耦合迁移悬浮颗粒物的装置,将光照和声场耦合，利用光线照射悬浮颗粒
并被悬浮颗粒吸收，从而使悬浮颗粒无规则运动能量增加；利用二维声驻波场3使悬浮颗
粒的有规则运动能量增加；通过调控悬浮颗粒的有规则运动能量和无规则运动能量的平
衡，从而实现悬浮颗粒和气体介质的分离。
本发明光声耦合迁移悬浮颗粒物的装置，使用时，位于封闭空间1中的混合介质4，
在平行光束2的照射下，把封闭空间1由上至下分割为无光束穿过的第一区域4-1、有光
束穿过的第二区域4-2和无光束穿过的第三区域4-3；其中，第二区域4-2中的悬浮颗粒
在平行光束2的照射下，吸收光束中的光子能量，悬浮颗粒的无规则运动能量增加，第二
区域中悬浮颗粒的迁移方向4-2-1沿任意方向强烈运动的悬浮颗粒数相同，沿光束方向形
成了由强烈无规则运动的悬浮颗粒组成的“屏障”区域；而在第一区域4-1和第三区域
4-3，在二维声驻波场3的作用下，封闭空腔内的大量悬浮颗粒获得了在整个封闭空间1
进行有规则运动的能量。当第一区域4-1和第三区域4-3中有规则运动的悬浮颗粒运动到
第二区域4-2时，和第二区域4-2中无规则运动的悬浮颗粒发生碰撞，大量的有规则运动
的悬浮颗粒不能顺利穿过第二区域4-2而被阻塞和保留到第二区域4-2中。随着光声作用
的持续进行，第一区域4-1和第三区域4-3中的大量悬浮颗粒最终被迁移输送并阻塞保留
在了第二区域4-2中，从而第一区域4-1和第三区域4-3中的悬浮颗粒的迁移方向分别表
现为指向第二区域4-2的第一区域中悬浮颗粒的迁移方向4-1-1和第三区域中悬浮颗粒的
迁移方向4-3-1。
实施例2
与实施例1基本相同，所不同的是：平行光束2的波长为0.76μm，封闭空间1是半
封闭空间1，封闭率大于50％。
实施例3
与实施例1或2基本相同，所不同的是：平行光束2为自然光，自然光的特点是不直
接显示偏振现象。
以上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，还可以对各设施位置进行调整，这些调整也应视为本发明
的保护范围。