Page 67 - 应用声学2019年第2期

第 38 卷 第 2 期 关昭等： 基于兰姆波在倾斜镜子基板上的油水微分离实验 213

由于兰姆波在镜子基板表面会发生衰减现象， 均值进行比较。
这样混合液滴在分离过程中所受到的声流力也会
3.1 激发电压的影响
随之相应减小，因此混合液滴在基板表面将做变加
速运动。而由于油滴的黏度大于水滴的黏度，因此 图5展示了在不同的基板倾角和油水混合比例
在分离过程中，油滴所受到的阻力将大于水滴，而水 的情况下，激发电压对油水混合液滴分离位移的相
滴所获得的驱动力将大于油滴。随着时间的推移， 关影响。通过观察图 5(a) 和图 5(b)，从拟合的方程
液滴的运动速度将不断增加，最终运动到油滴和水 图像可以看出，油水混合液滴分离位移与激发电压
滴将要实现分离的临界分离位移位置，如图 4(c) 所 具有一定的关系，即当油水混合比例与基板倾角保
示。最终，实现将油滴从油水混合液滴中完全分离 持不变时，油水混合液滴的分离位移随着激发电压
出来，如图 4(d) 所示。蓝色虚线圈出的为分离后的 的增加而减小。牛顿运动定律的速度和位移公式如
水滴，红色虚线的位置为油滴和水滴的临界分离位 下所示：
移位置，左侧为分离后的油滴。
v = a x t, (11)
3 实验结果与讨论 S = 1 a x t , (12)
2
2
通过测量将 10 µl 的橄榄油和 10 µl、20 µl 和 其中，v 为液滴到达临界分离时间的速度；S 为液
30 µl 的水滴依次混合，形成油水混合比例分别为 滴到达临界分离时间所走过的分离位移。根据公
2
1 : 1、1 : 2、1 : 3的混合液滴。在此次实验操作中，基 式 (11)和公式(12)，可以推导出v = 2a x S。随着激
板的倾斜角度被放置为10 、15 、20 ，并将激发电压 发电压的不断增大，即声流力 F S 不断增大，加速度
◦
◦
◦
a x 在增大，液滴在镜子基板上达到临界分离时间的
从 138 V pp 增加至 194 V pp ，激发电压每增加 8 V pp
为一次测试实验，且每次测试实验重复 10 次，取平 速度v 在增大，所以油水分离位移S 在减小。
45 16
۳౜ϚᝈO ۳౜ϚᝈO
40
۳౜ϚᝈO 14 ۳౜ϚᝈO
۳౜ϚᝈO
35
۳౜ϚᝈO
෴ඵѬሏͯረ/mm 30 ෴ඵѬሏͯረ/mm 10
12
25
20
15
6 8
10
5 4
138 150 162 174 186 198 138 150 162 174 186 198
༏ԧႃԍ/V pp ༏ԧႃԍ/V pp
(a) े෴ඵຉՌ๯ໟඋΓ˞1:2௑Ὂ˅ښˀՏϚᝈᄊ۳౜ (b) े෴ඵຉՌ๯ໟඋΓ˞1:3௑Ὂ˅ښˀՏϚᝈᄊ۳౜
ʽὊ෴ඵຉՌ๯ໟѬሏͯረˁ༏ԧႃԍ˨ᫎᄊТጇ ʽὊ෴ඵຉՌ๯ໟѬሏͯረˁ༏ԧႃԍ˨ᫎᄊТጇ
图 5 油水混合液滴分离位移与激发电压的关系
Fig. 5 The relationship of separation displacement and excitation voltage

3.2 基板倾角的影响 合液滴分离位移随着基板倾角的增大而变小。因为
当激发电压和油水混合比例不变时，改变基板倾角
图6 为基板倾斜角对油水混合液滴分离位移的
会使液滴的下滑力 mg sin α 获得相应的增加，在声
影响。比较图 6(a) 和图 6(b)，无论油水混合液滴比
流力和下滑力双重作用下，因此加速度 a x 在增大，
例为 1 : 1、1 : 2 还是 1 : 3，当激发电压保持不变时， 液滴在镜子基板上达到临界分离时间的速度v 在增
通过分析图像数据，可以得出相应的结论：油水混 大，所以油水分离位移S 在减小。