一种基于超声波悬浮的虹与霓研究装置

1.本实用新型实施例涉及光学分析技术领域，尤其涉及一种基于超声波悬浮的虹与霓研究装置。


背景技术：

2.虹与霓是大气光学中较常见的一种光学现象，早在十四世纪就有科研工作者复现了虹与霓，并取得一系列成果。事实上，彩虹已经成为测试光学理论的试金石。因为关于彩虹的定量理论涉及的不只是几何光学，还必须考虑光的粒子性和波动性。现有的复现虹与霓的实验装置主要有三种。第一种是利用圆底烧瓶，先将溶液倒入圆底烧瓶，并将圆底烧瓶固定好，然后使白光(复合光)通过圆底烧瓶底部，在接收屏上产生虹与霓。第二种是利用玻璃球/树脂球，使白光(复合光)通过固定好的玻璃球/树脂球，在接收屏上产生虹与霓。第三种是使白光(复合光)照射到空气中喷洒的小液滴，在小液滴附近出现虹与霓。
3.虽然以上三种方法的核心装置(即装有溶液的透明球体、玻璃球/树脂球、装有溶液的喷雾瓶)方便移动，且实验成功率较高，但仍有一些方面有待优化。第一种装置在实验过程中，光线额外经过器壁的两次折射，引起光强、光路等发生变化，对后续定量分析虹与霓的视半径、相对强度和偏振性等相关性质产生影响，造成较大误差。第二种装置中每一个固体球只对应一个实验现象，难以获得充分的实验数据。第三种装置中需要持续性制造喷雾，浪费资源，且小液滴在空间中每时每刻都在运动，状态都不一样，同时液滴尺寸与均一性难以控制，因此无法进行定量分析。


技术实现要素：

4.本实用新型实施例提供一种基于超声波悬浮的虹与霓研究装置，实现无容器的虹与霓的再现，可以用于验证虹与霓的视半径、相对强度和偏振性等相关性质，并探究液滴的大小、形状和折射率与虹或者霓的相关性质的联系。
5.第一方面，本实用新型实施例提供一种基于超声波悬浮的虹与霓研究装置，包括光源、超声波悬浮装置、接收屏和观察装置；
6.所述超声波悬浮装置用于产生超声驻波场以悬浮液滴；
7.所述光源用于向所述液滴发射平行光，以产生大气光学现象，所述大气光学现象包括虹光现象、霓光现象、亚历山大暗带现象、干涉虹现象、宝光现象、晕现象和华现象；
8.所述接收屏用于接收并显示所述大气光学现象；
9.所述观察装置用于拍摄所述大气光学现象。
10.作为优选的，所述光源为超连续谱白光激光器或可调谐振激光器。
11.作为优选的，所述超声波悬浮装置为单轴式超声波悬浮装置、多轴式超声波悬浮装置或阵列式超声波悬浮装置；
12.所述单轴式超声波悬浮装置用于悬浮单个液滴，并通过改变在单个方向上超声波换能器的发射端强度、相位来调节超声驻波场中的声压，以改变液滴的形状；
13.所述多轴式超声波悬浮装置用于悬浮单个液滴，并通过改变在多个方向上超声波换能器的发射端强度、相位来调节超声驻波场中的声压，以改变液滴的形状；
14.所述阵列式超声波悬浮装置用于悬浮多个液滴以形成液滴群。
15.作为优选的，所述单轴式超声波悬浮装置包括超声发生器、超声转换器、发射端和接收端；所述超声发生器将市电转换成与超声换能器相匹配的高频交流电信号，高频交流电信号通过超声换能器后转化成超声波由发射端发出、反射端返回，发射端发射的超声波与反射端返回的超声波相遇产生超声驻波场。
16.作为优选的，所述多轴式超声波悬浮装置包括超声发生器、超声转换器，以及与所述超声转换器连接的多个不共轴的发射端，所述超声发生器将市电转换成与超声换能器相匹配的高频交流电信号，高频交流电信号通过超声换能器后转化成超声波由发射端发出；多个所述发射端由不同方向向液滴施加压力。
17.作为优选的，所述阵列式超声波悬浮装置包括多个呈阵列组合的声源，所述声源包括超声发生器、超声转换器、发射端；所述超声发生器将市电转换成与超声换能器相匹配的高频交流电信号，高频交流电信号通过超声换能器后转化成超声波由发射端发出；以在多个呈阵列组合的声源之间形成超声驻波场。
18.作为优选的，所述接收屏包括前接收屏和后接收屏；所述前接收屏设于光源和所述超声波悬浮装置之间，所述后接收屏设于所述超声波悬浮装置远离所述光源的一侧。
19.作为优选的，所述观察装置为相机或摄像头，用于拍摄所述前接收屏和所述后接收屏上显现的大气光学现象。
20.作为优选的，还包括偏振滤光片，所述偏振滤光片设于所述观察装置前。
21.本实用新型实施例提供的一种基于超声波悬浮的虹与霓研究装置，包括：光源，用于出射平行光；超声波悬浮装置，用于产生声驻波场来悬浮液滴；接收屏，用于接收实验现象；观察装置，用于拍摄虹、霓等光学现象，用于后续分析它们的光学特性和分布规律。本实用新型可以实现无容器的虹与霓的再现。在技术上，利用声驻波场将液滴固定于声压波节处的超声波悬浮技术具有可行性，可以实现液滴在空间环境中的无容器状态，且易于更改变量，影响因素更少，可扩展性更好。超声波悬浮装置可以产生复杂的声场，当其为单轴式和多轴式时，可以通过改变超声波换能器的发射端强度来调节声场中的声压，以此改变单个液滴的形状；当其为阵列式时，则可以在空间中悬浮一群状态稳定的液滴。
附图说明
22.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为根据本实用新型实施例的基于超声波悬浮技术的虹与霓的综合研究装置原理图；
24.图2为根据本实用新型实施例的基于超声波悬浮技术的虹与霓的综合研究装置侧视图；
25.图3为根据本实用新型实施例的基于超声波悬浮技术的虹与霓的综合研究装置实
体结构示意图。
具体实施方式
26.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
27.本技术实施例中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。
28.本技术实施例中的术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。本技术的描述中，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列部件或单元的系统、产品或设备没有限定于已列出的部件或单元，而是可选地还包括没有列出的部件或单元，或可选地还包括对于这些产品或设备固有的其它部件或单元。本技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
29.在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
30.以下将通过多个实施例进行展开说明和介绍。
31.图1为本实用新型实施例提供一种基于超声波悬浮的虹与霓研究装置，包括光源1、超声波悬浮装置4、接收屏和观察装置6；
32.所述超声波悬浮装置4用于产生超声驻波场以悬浮液滴3；
33.超声波悬浮装置4主要由声源(如压电陶瓷片)与反射端构成，在两者间形成驻波，物体在驻波节点处实现悬浮；通过超声波悬浮装置4可以使液滴3稳定在空间中某一位置，实现液滴3在空间环境中的无容器状态，不用持续性悬浮喷雾，节约资源，光线不需经过器壁产生额外的两次折射；声悬浮的悬浮能力很强,悬浮样品的尺寸可达到与超声波长相同的数量级。改变超声波悬浮装置4的频率可以精确地控制液滴3的尺寸，液滴3直径大致范围为1μm到5μm，具体数值需根据超声波装置种类、频率以及液滴3种类会有所不同；当液滴3的尺寸小于毫米级时，光线在液滴3内部的光程差满足发生干涉和衍射的条件，因此可以复现干涉虹、宝光、华、晕等更多大气光学现象，且液滴3尺寸越小，现象越明显；可以通过改变液体种类来改变折射率，同时也可以改变液体的温度，可扩展性更好；
34.具体地，液滴3大小的选择应取决于要观测的现象：对于虹、霓、亚历山大暗带与晕的观测，液滴3直径应大于1μm，并且液滴3越大，所产生的现象越明显；对于干涉虹、宝光和华的观测，液滴3应要小于1μm，并且液滴3越小，所产生的现象越明显。
35.所述光源1用于向所述液滴3发射平行光，以产生大气光学现象，所述大气光学现象包括虹光现象、霓光现象、亚历山大暗带现象、干涉虹现象和宝光现象；
36.所述接收屏用于接收并显示所述大气光学现象；所述接收屏包括前接收屏2和后接收屏5；所述前接收屏2设于光源1和所述超声波悬浮装置4之间，所述后接收屏5设于所述超声波悬浮装置4远离所述光源1的一侧。
37.所述观察装置6用于拍摄所述大气光学现象。观察装置6可以是相机或者是摄像头，从侧面分别拍摄前接收屏2、后接收屏5所接收到的各种大气光学现象。通过一定的操作(光源1大小或者液滴3大小和形状)，可以在前接收屏2观测到虹、霓、亚历山大暗带、干涉虹、宝光、晕、华等大气光学现象，在后接收屏5观测到晕和华等大气光学现象。拍摄所得的照片可以放置到电脑里面进行分析处理，探究各种现象的颜色分布规律、光强分布和视半径等性质。
38.在上述实施例的基础上，作为一种优选的实施方式，所述光源1为超连续谱白光激光器或可调谐振激光器。超连续谱白光激光器可以出射平行白光，用于复现虹于霓等现象；可调谐激光器可以出射特定波长的平行光束，用于定量地分析波长与虹于霓等所得现象的性质之间的关系。
39.在上述实施例的基础上，作为一种优选的实施方式，所述超声波悬浮装置4为单轴式超声波悬浮装置、多轴式超声波悬浮装置或阵列式超声波悬浮装置；
40.所述单轴式超声波悬浮装置用于悬浮单个液滴3，并通过改变在单个方向上超声波换能器的发射端强度、相位来调节超声驻波场中的声压，以改变液滴3的形状；
41.所述多轴式超声波悬浮装置用于悬浮单个液滴3，并通过改变在多个方向上超声波换能器的发射端强度、相位来调节超声驻波场中的声压，以改变液滴3的形状；
42.所述阵列式超声波悬浮装置用于悬浮多个液滴3以形成液滴群。
43.本实施例中，单轴式超声波悬浮装置和多轴式超声波悬浮装置通常用来悬浮单个液滴，可以用来研究光线经过单液滴产生的现象。单轴式超声波悬浮装置可以通过改变在单个方向上超声波换能器的发射端强度、相位来调节声场中的声压来改变液滴的形状，多轴式超声波悬浮装置则可以在多个方向上改变声场中的声压来改变液滴的形状。现实环境中的彩虹是光线经过一群液滴后形成的，而阵列式超声波悬浮装置可以在空间中悬浮一群状态稳定的液滴，因此可以用来研究光线经过一群液滴产生的光学现象。
44.在上述实施例的基础上，作为一种优选的实施方式，所述单轴式超声波悬浮装置包括超声发生器、超声转换器、发射端和接收端；所述超声发生器将市电转换成与超声换能器相匹配的高频交流电信号，高频交流电信号通过超声换能器后转化成超声波由发射端发出、反射端返回，发射端发射的超声波与反射端返回的超声波相遇产生超声驻波场。
45.在上述实施例的基础上，作为一种优选的实施方式，所述多轴式超声波悬浮装置包括超声发生器、超声转换器，以及与所述超声转换器连接的多个不共轴的发射端，所述超声发生器将市电转换成与超声换能器相匹配的高频交流电信号，高频交流电信号通过超声换能器后转化成超声波由发射端发出；多个所述发射端由不同方向向液滴施加压力。在单轴式超声波悬浮装置中，其输出轴的强度不变时，如果相位发生变化，产生的声场会随之发生变化。而在多轴式超声波悬浮装置中，多个轴产生的声波会在一个点处叠加，改变其中一个轴发出来的波的相位，那么在原来的地方叠加出来的波的强度是不一样，比如本来在a点是三个波峰叠加，改变其中一个轴的相位会导致对应的波峰发生变化，结果可能就会是两个波峰和一个波谷叠加。
46.在上述实施例的基础上，作为一种优选的实施方式，所述阵列式超声波悬浮装置包括多个呈阵列组合的声源，所述声源包括超声发生器、超声转换器、发射端；所述超声发生器将市电转换成与超声换能器相匹配的高频交流电信号，高频交流电信号通过超声换能器后转化成超声波由发射端发出；以在多个呈阵列组合的声源之间形成超声驻波场。
47.综上所述，本实用新型实施例提供的一种基于超声波悬浮的虹与霓研究装置，包括：光源，用于出射平行光；超声波悬浮装置，用于产生声驻波场来悬浮液滴；接收屏，用于接收实验现象；观察装置，用于拍摄虹、霓等光学现象，用于后续分析它们的光学特性和分布规律。本实用新型可以实现无容器的虹与霓的再现。在技术上，利用声驻波场将液滴固定于声压波节处的超声波悬浮技术具有可行性，可以实现液滴在空间环境中的无容器状态，且易于更改变量，影响因素更少，可扩展性更好。超声波悬浮装置可以产生复杂的声场，当其为单轴式和多轴式时，可以通过改变超声波换能器的发射端强度来调节声场中的声压，以此改变单个液滴的形状；当其为阵列式时，则可以在空间中悬浮一群状态稳定的液滴。
48.本实用新型的各实施方式可以任意进行组合，以实现不同的技术效果。
49.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种基于超声波悬浮的虹与霓研究装置，其特征在于，包括光源、超声波悬浮装置、接收屏和观察装置；所述超声波悬浮装置用于产生超声驻波场以悬浮液滴；所述光源用于向所述液滴发射平行光，以产生大气光学现象，所述大气光学现象包括虹光现象、霓光现象、亚历山大暗带现象、干涉虹现象、晕现象、华现象和宝光现象；所述接收屏用于接收并显示所述大气光学现象；所述观察装置用于拍摄所述大气光学现象。2.根据权利要求1所述的基于超声波悬浮的虹与霓研究装置，其特征在于，所述光源为超连续谱白光激光器或可调谐振激光器。3.根据权利要求1所述的基于超声波悬浮的虹与霓研究装置，其特征在于，所述超声波悬浮装置为单轴式超声波悬浮装置、多轴式超声波悬浮装置或阵列式超声波悬浮装置；所述单轴式超声波悬浮装置用于悬浮单个液滴，并通过改变在单个方向上超声波换能器的发射端强度、相位来调节超声驻波场中的声压，以改变液滴的形状；所述多轴式超声波悬浮装置用于悬浮单个液滴，并通过改变在多个方向上超声波换能器的发射端强度、相位来调节超声驻波场中的声压，以改变液滴的形状；所述阵列式超声波悬浮装置用于悬浮多个液滴以形成液滴群。4.根据权利要求3所述的基于超声波悬浮的虹与霓研究装置，其特征在于，所述单轴式超声波悬浮装置包括超声发生器、超声转换器、发射端和接收端；所述超声发生器将市电转换成与超声换能器相匹配的高频交流电信号，高频交流电信号通过超声换能器后转化成超声波由发射端发出、反射端返回，发射端发射的超声波与反射端返回的超声波相遇产生超声驻波场。5.根据权利要求3所述的基于超声波悬浮的虹与霓研究装置，其特征在于，所述多轴式超声波悬浮装置包括超声发生器、超声转换器，以及与所述超声转换器连接的多个不共轴的发射端，所述超声发生器将市电转换成与超声换能器相匹配的高频交流电信号，高频交流电信号通过超声换能器后转化成超声波由发射端发出；多个所述发射端由不同方向向液滴施加压力。6.根据权利要求3所述的基于超声波悬浮的虹与霓研究装置，其特征在于，所述阵列式超声波悬浮装置包括多个呈阵列组合的声源，所述声源包括超声发生器、超声转换器、发射端；所述超声发生器将市电转换成与超声换能器相匹配的高频交流电信号，高频交流电信号通过超声换能器后转化成超声波由发射端发出；以在多个呈阵列组合的声源之间形成超声驻波场。7.根据权利要求1所述的基于超声波悬浮的虹与霓研究装置，其特征在于，所述接收屏包括前接收屏和后接收屏；所述前接收屏设于光源和所述超声波悬浮装置之间，所述后接收屏设于所述超声波悬浮装置远离所述光源的一侧。8.根据权利要求7所述的基于超声波悬浮的虹与霓研究装置，其特征在于，所述观察装置为相机或摄像头，用于拍摄所述前接收屏和所述后接收屏上显现的大气光学现象。9.根据权利要求1所述的基于超声波悬浮的虹与霓研究装置，其特征在于，还包括偏振滤光片，所述偏振滤光片设于所述观察装置前。

技术总结
本实用新型实施例提供一种基于超声波悬浮的虹与霓研究装置，包括：光源，用于出射平行光；超声波悬浮装置，用于产生声驻波场来悬浮液滴；接收屏，用于接收实验现象；观察装置，用于拍摄虹、霓等光学现象，分析它们的光学特性和分布规律。本实用新型可以实现无容器的虹与霓的再现。利用声驻波场将液滴固定于声压波节处的超声波悬浮技术具有可行性，实现液滴在空间环境中的无容器状态，且易于更改变量，影响因素更少，可扩展性更好。超声波悬浮装置可以产生复杂的声场，当其为单轴式和多轴式时，可以通过改变超声波换能器的发射端强度、相位来调节声场中的声压，以改变单个液滴的形状；当其为阵列式时，则可以在空间中悬浮一群状态稳定的液滴。定的液滴。定的液滴。


技术研发人员：黄海琪 姚瑞昭 康嘉健 孙贺 黄浩宇 曹洁萍
受保护的技术使用者：华南师范大学
技术研发日：2021.11.12
技术公布日：2022/5/25