小20尺寸在20~50微米之间。用常规装置，诸如水力旋 流器，通常很难分离这些小滴。
[0089] 图2B示出了水油乳状液通过激励了声场的声泳系统之后测量到的类似颗粒大小 分布。在激励了声场的情况下，幅值颗粒大小22在尺寸上大于200微米。结果清楚地示 出了显著的油滴生长量，也就是，作为声力对液滴作用的结果，许多亚20微米液滴聚结、附 聚、或结块成较大液滴（大于20微米）。
[0090] 图3示出了声泳颗粒分离器30的另一实施例。声泳分离器30具有入口 32和出 口 34。入口 32适配有管口或扩散器90,该管口或扩散器90具有蜂窝95,以便于塞流的产 生。声泳分离器30具有换能器40的阵列38,在本情况下，六个换能器全都布置在同一壁 上。这些换能器布置成，使其覆盖流动路径的整个横截面。在特定的实施例中，图3的声泳 分离系统具有6英寸X6英寸的方形横截面，其以高达3加仑每分钟（GPM)的流量、或8毫 米/秒的线速度工作。换能器40是六个PZT-8 (锆钛酸铅）换能器，具有1英寸的直径和 标称2MHz的谐振频率。对于以3GPM流量的液滴捕获，各换能器消耗约28瓦的功率。这表 示0.25千瓦小时/立方米的能耗成本。这表明本技术具有非常低的能耗成本。理想的是， 各换能器由其自有的放大器进行供电并加以控制。关于本实施例的应用是通过微米大小的 油滴的附聚、聚集、结块或聚结成大得多的液滴来改变颗粒大小分布，如图2A和图2B中所 显示的那样。
[0091] 图4A和图4B示出在声泳分离器入口处可以使用的两种不同扩散器。扩散器90 具有入口 92 (这里带有圆形形状）和出口 94 (这里带有方形形状）。图4A的扩散器示于图 3中。图4A包括栅格或蜂窝95,而图4B则没有。栅格有助于保证均匀流动。
[0092] 图5是常规超声换能器的剖视图。此换能器具有位于底端的耐磨板50、环氧树脂 层52、陶瓷晶体54 (由例如PZT制成）、环氧树脂层56、以及背衬层58。在陶瓷晶体的任一 侧上，有电极：正电极61和负电极63。环氧树脂层56将背衬层58附着至晶体54。整个组 件容纳在壳体60中，壳体60可以由例如铝制成。电转接器62提供与电线的连接，以穿过壳 体并且与附着于晶体54的引线（未示出）连接。通常，背衬层设计成增加阻尼，并形成在 较宽频率范围内具有均匀位移的宽带换能器，而且，设计成以特定振动固有模式抑制激励。 耐磨板通常设计作为阻抗变换器，以更好地匹配换能器向其辐射的介质的特征阻抗。
[0093] 图6是带有气泡64的耐磨板50的照片，在气泡64处，由于振荡压力和加热，耐磨 板已被拉离陶瓷晶体表面。
[0094] 图7A是本公开的超声换能器81的剖视图，该换能器81能与图3的声泳分离器一 起使用。换能器81具有铝制壳体82。PZT晶体86限定换能器的底端，并且暴露于壳体外 部。晶体在其周边由置于晶体和壳体之间的较小弹性层98 (例如，硅树脂或类似材料）进 行支撑。换而言之，没有耐磨层。
[0095] 经由螺纹88,螺钉（未示出）将壳体的铝制顶板82a附接至壳体的本体82b。顶 板包括连接器84,以将电传送至PZT晶体86。PZT晶体86的底面和顶面各自连接至电极 (正极和负极），诸如银或镍。环绕式电极片90连接至底电极，并且使其与顶电极绝缘。通 过晶体上的电极将电力提供给PZT晶体86,卷绕式电极片90是接地点。应当注意到，晶体 86没有如图5中存在的背衬层或环氧树脂层。换而言之，在铝顶板82a与晶体86之间，换 能器中有气隙87 (也就是，该气隙完全是空的）。有些实施例中，可以设置最小限度的背衬 58和/或耐磨板50,如图7B中所示。
[0096] 换能器设计会影响系统的性能。典型换能器是层状结构，带有结合至背衬层和耐 磨板的陶瓷晶体。因为由驻波呈现的高机械阻抗加载于换能器，关于耐磨板的传统设计准 贝1J，例如关于驻波应用的半波长厚度、或关于辐射应用的四分之一波长厚度，以及制造方 法，可能并不合适。与之相比，在本文披露换能器的一种实施例中，没有耐磨板或背衬，允许 晶体以高Q因数按其固有模式之一振动。振动的陶瓷晶体/盘片直接暴露于流过流室的流 体。
[0097] 除去背衬（例如，使晶体背衬空气）也允许陶瓷晶体以较小阻尼按照更高阶振动 模式振动（例如，更高阶模态位移）。在具有带背衬晶体的换能器中，晶体以更均匀的位移 振动，像活塞一样。通过除去背衬，允许晶体以不均匀位移模式振动。晶体的模态越高阶， 晶体具有越多的波节线。虽然捕获线与波节的相关性不必一一对应，而且，以更高频率驱动 晶体不一定产生更多捕获线，但是，晶体的更高阶模态位移产生更多的捕获线。参见下文关 于图20至图21D的讨论。
[0098] 在有些实施方式中，晶体可以具有最低限度影响晶体Q因数（例如，少于5%)的 背衬。背衬也可以由实质上透声的材料制成，例如轻木、泡沫或软木，其允许晶体以更高阶 模态振动，并维持高Q因数，同时仍为晶体提供一些机械支撑。背衬层可以是实心的，或者， 可以是具有穿过该层的孔的栅格，使得栅格遵循处于特定更高阶振动模式的振动晶体的波 节，在波节位置处提供支撑，同时，允许晶体的其余部分自由振动。栅格工件或透声材料的 目的是提供支撑，而不降低晶体的Q因数，或者不妨碍特定模态的激励。
[0099] 通过避免环氧树脂层和耐磨板的阻尼和能量吸收作用，将晶体布置为与流体直接 接触，也有助于获得高Q因数。其它实施方式可以具有耐磨板或耐磨表面，以防止含铅的 PZT接触基底流体。在例如生物应用（例如，血液分离）中这将是理想的。这些应用可以使 用耐磨层，例如铬、电镀镍或化学镀镍。也可以使用化学气相沉积来涂敷一层聚（对-亚二 甲苯）（poly(p-xylxyene))(例如聚对二甲苯）或其它聚合物。有机和生物相容涂层例如 硅树脂或聚氨酯也可用作耐磨表面。
[0100] 在本发明的系统中，以一定电压使本系统工作，使得在超声驻波中捕获颗粒，即保 持在静止位置。颗粒沿限定好的捕获线（其按半波长分开）收集到其中。在各波节面内，将 颗粒捕获在声辐射势能的最小值中。声辐射力的轴向分量驱动带有正衬比度因数的颗粒到 达压力波节面，而带有负衬比度因数的颗粒则被驱动到达压力波腹面。声辐射力的径向或 横向分量是捕获颗粒的力。在使用典型换能器的系统中，声辐射力的径向或横向分量通常 比声辐射力的轴向分量小几个数量级。与此相反，图1A、图1B、图3和图27中所示的分离 器中的横向力会非常明显，与轴向力分量处于同等量级，并且足以克服线速度高达1厘米/ 秒的流体的拖曳力。如上面所讨论的，与晶体如具有均匀位移的活塞那样有效移动的振动 形式相反，通过以更高阶模态驱动换能器，可以增大横向力。声压与换能器的驱动电压成正 比。电功率与电压的平方成正比。
[0101] 在一些实施例中，驱动换能器的脉冲电压信号可以具有正弦波、方波、锯齿波或三 角波的波形，并且具有500千赫至10兆赫的频率。脉冲电压信号可以用脉冲宽度调制驱动， 脉冲宽度调制可以产生任何期望的波形。脉冲电压信号也可以具有调幅或调频开始/停止 能力，以消除声流。
[0102] 图8是声泳分离器92的计算机模型，声泳分离器92被仿真以获得图9A至图9D 以及图11至图17。压电陶瓷晶体94与水通道96中的流体直接接触。一层硅98位于晶 体94与铝顶板100之间。反射器102反射波以产生驻波。反射器由提供良好反射的高声 阻抗材料例如钢或钨制成。作为参照，将Y轴104称为轴向。将X轴106称为径向或横向。 对声压模型和速度模型进行计算，其包括PZT换能器的压电模型、周围结构（例如，反射板 和壁）的线性弹性模型、以及水柱中的波的线性声学模型。使用Gor'kov的公式来计算作 用于悬浮颗粒的辐射力。将颗粒和流体材料的特性如密度、声速、以及颗粒大小输入到程序 中，并且用这些特性来确定单极子散射贡献和偶极子散射贡献。通过对场势U执行梯度运 算来确定声福射力，场势U是颗粒体积以及声场的时间平均势能和动能的函数。
[0103] 在典型实验中，以一定电压运行本系统，使得颗粒被捕获在超声驻波中，也就是， 保持处于静止位置。声辐射力的轴向分量驱动带有正衬比度因数的颗粒至压力波节面，而 带有负衬比度因数的颗粒则被驱动至压力波腹面。声辐射力的径向或横向分量是捕获颗粒 的力。所以，其必须大于流体拖曳力和重力的共同作用。对于较小颗粒或乳状液，拖曳力FD 可以表示为：
[0104]
[0105] 其中，Uf和Up是流体速度和颗粒速度，Rp是颗粒半径，μ # μ p是流体的动态粘 度和颗粒的动态粘度，以及，A 是各动态粘度之比。浮力Fb表示为：
[0106]
[0107] 对于会被捕获在超声驻波中的颗粒，颗粒上的力平衡必须为零，因此，可以发现关 于横向声辐射力F urf的表达，其由下式给出：
[0108] Flrf= F d+Fb
[0109] 对于已知大小和材料特性的颗粒，以及，对于给定的流速，可以使用此方程来估计 横向声辐射力的幅值。
[0110] 用来计算声福射力的理论模型是Gor' kov研究出来的。主要声福射力Fa定义为 场势U的函数，&=-▽〇：/)，
[0111] 其中，场势U定义为：
[0112]
[0113] 以及，fdP f 2是由下式定义的单极子贡献和偶极子贡献：
[0114]
[0115] 其中，p是声压，U是流体颗粒速度，Λ是颗粒密度Pp与流体密度p f之比，σ是 颗粒声速Cp与流体声速C f之比，而V ^是颗粒的体积。对于一维驻波，声压表示为：
[0116] p = Acos (kx) cos ( ω t)
[0117] 其中，A是声压幅值，k是波数，以及，w是角频率。在这种情况下，只有声辐射力的 轴向分量F arf，发现其为： CN 105143835 A 1冗 P月卞> 11/20 页
[0118]
[0119] X是由下式给出的衬比度因数：
[0120]
[0121] 带有正衬比度因数的颗粒被驱动至压力波节面，而带有负衬比度因数的颗粒则被 驱动至压力波腹面。
[0122] Gor'kov的理论局限于相对于流体和颗粒中的声场波长比较小的颗粒大小，并且， 也没有考虑流体和颗粒的粘度对辐射力的影响。对于有关颗粒大小相对于波长没有任何限 制的颗粒的声辐射力的计算，开发了另外的数值模型。这些模型还包括流体和颗粒粘度的 影响，因此，是声福射力的更准确的计算。所实现的模型基于Yurii Ilinskii和Evgenia Zabolotskaya的理论工作。
[0123] 图9A至图9D示出单声波与多模声波之间在捕获压力梯度方面的差异的仿真。图 9A示出了与单个声驻波相关的轴向力。图9B示出了由于单个声驻波所致的横向力。图9C 和图9D示出分别在形成多驻波的多模式（具有多个波节的高阶振动模式）压电晶体激励 中的轴向力和横向力。电力输入与图9A和图9B所示单一模式下的情况是相同的，但捕获 力（横向力）更大，为其70倍（注意与图9D相比的图9B中右边的标度）。在终点为钢反 射器（参见图8)的开放水道中，通过封装在铝顶板中的1兆赫压电换能器（其由10伏交 流驱动）的计算机建模仿真，来生成这些图。图9A和图9B中的场是960千赫，具有400千 帕的峰值压强。图9C和图9D中的场是961千赫，具有1400千帕的峰值压强。除了更高的 力之外，961千赫的场（图9C和图9D)还具有更大的梯度和焦斑（focal spots)。
[0124] 图10示出了模态计算的三维计算机生成模型，该模态计算示出了以1兆赫频率驱 动的圆形晶体的面外位移。
[0125] 图11至图17是基于图8的模型，具有以2兆赫工作的PZT 8压电换能器。在终 点为钢反射板（〇. 180英寸厚）的4英寸X2英寸的水道中，换能器是1英寸宽、0. 04英寸 厚，封装在铝顶板（0.125英寸厚）中。声束跨