Lewitacja akustyczna: Jak nieruchomy fala dźwięk utrzymuje obiekty w powietrzu

Dźwięk posiada pęd, a pęd może unosić obiekt

Fala dźwiękowa przenosi nie tylko energię, ale także mały, stały nacisk w kierunku swojego ruchu – siłę promieniowania akustycznego. Dla zwykłego głośnika efekt jest zbyt mały, aby zauważyć, ale skoncentruj wystarczająco dużo intensywności ultradźwięków w fali stojącej, to siła ta staje się wystarczająco silna, by zniwelować działanie grawitacji na niewielkim obiekcie, utrzymując go zawieszony w powietrzu bez jakiegokolwiek fizycznego kontaktu.

Kluczem jest fala stojąca. Dwa przeciwstawne układy przetworników emitują ultradźwięki o tej samej częstotliwości wzajemnie do siebie; wychodzące i odbite (lub odwrotnie emitowane) fale interferują, tworząc nieruchomy wzór węzłów ciśnienia (zerowej amplitudy drgań) i antywęzłów (maksymalnej amplitudy), oddalonych od siebie o połowę długości fali. Mały, lekki obiekt upuszczony do tego pola nie odczuwa średniej wartości pola – nieliniowa akustyka wywołuje na nim małą, uśrednioną w czasie siłę ciągu, która przyciąga go do najbliższego węzła ciśnienia, gdzie osiada i pozostaje.

Potencjał Gor'kowa

Dokładne opracowanie dla cząstki znacznie mniejszej niż długość fali akustycznej zostało przeprowadzone przez Lewa Gor’kowa w 1962 roku. Pokazał on, że średnia czasowa siła promieniowania działająca na taką cząstkę jest ujemnym gradientem potencjału skalarnym U, zbudowanego z lokalnych pól ciśnienia akustycznego i prędkości:

U = 2*pi*r^3 * [ f1/3 * kappa_0 * <p^2> - f2 * 3/2 * rho_0 * <v^2> ] f1 = 1 - kappa_p/kappa_0 (kontrast sprężystości) f2 = 2*(rho_p - rho_0) / (2*rho_p + rho_0) (kontrast gęstości) F = -grad(U) // siła promieniowania gdzie r jest promieniem cząstki, kappa sprężystością a rho gęstością, z sufiksem 0 dla otaczającej cieczy (powietrza), a p dla cząstki. Ułamki w nawiasach oznaczają średnią czasową przez okres akustyczny. Dla stałego lub ciekłego kropelki w powietrzu, oba współczynniki kontrastu są dodatnie, co powoduje, że minimum potencjału – a zatem stabilna pułapka – znajduje się dokładnie w węzłach ciśnienia u stojącej fali. Dlatego też kropelki unoszone w demonstracyjnej linii ustawiają się w czystych, równomiernie rozstawionych liniach: jedna kropelka na węźle, oddalona o połowę długości fali.

U = 2*pi*r^3 * [ f1/3 * kappa_0 *   -  f2 * 3/2 * rho_0 *  ]
f1 = 1 - kappa_p/kappa_0                       (compressibility contrast)
f2 = 2*(rho_p - rho_0) / (2*rho_p + rho_0)     (density contrast)
F = -grad(U)                                    // the radiation force itself

Dlaczego w tym przypadku konieczne jest ultradźwięk

Siła promieniowania zależy od objętości cząstek, ale od gradientu intensywności akustycznej. Dlatego potrzebujesz wysokiej amplitudy ciśnienia akustycznego skoncentrowanego w krótkiej fali świetlnej – co oznacza wysoką częstotliwość. Dźwięk słyszalny, wystarczająco głośny, aby unosić jakiekolwiek przedmioty, byłby niepraktyczny do generowania przy takiej intensywności i niewyobrażalnie uciążliwy dla otoczenia; ultradźwięki o częstotliwości około 40 kHz (długość fali około 8,6 mm w powietrzu) zapewniają precyzyjną rozdzielczość węzłów, cichą pracę i, dzięki tanim obecnie transdwiernym tablicom piezoelektrycznym dostępnym nawet dla hobbystów, wystarczające ciśnienie akustyczne do unoszenia kul polistyrenowych, kropelek wody, małych owadów a nawet małych komponentów elektronicznych.

Dwa praktyczne geometrie lewitatorów istnieją. Klasyczna konfiguracja to jednowymiarowa fala stojąca między emitorem a pasywnym lub aktywnym odbiciem, która uwięża cząstki wzdłuż linii węzłów. Nowocześniejsze lewitatory oparte na tablicach fazowych wykorzystują kilkadziesiąt do setek małych przetworników, których indywidualne fazy są obliczane, aby syntetyzować arbitralne pole ciśnienia skupiające, w tym pułapki w przestrzeni wolnej od odbić, pozwalając na płynną ruchomość pułapki w 3D poprzez ponowne obliczanie wzoru fazowego – właśnie dlatego nowoczesne demonstracje lewitacji akustycznej poruszają obiekty po ścieżkach zamiast jedynie trzymać je nieruchomo w węzłach siatki.

Rzeczywiste zastosowania poza demonstracją

Lewitacja akustyczna wykorzystywana jest do bezzbiornikowego przetwarzania: topienia i badania materiałów, które reagowałyby z lub byłyby zanieczyszczone przez każdy typ pieca, manipulacji reaktywnymi lub ultra czystymi próbkami chemicznymi oraz badania parowania i krystalizacji kropli bez podłoża, które mogłoby wywołać niepożądaną inicjację. Badania farmaceutyczne wykorzystują ją do obserwacji, jak pojedyncze krople zawierające substancje czynne wysychają, a na poziomie biologii badacze używali lewitacji fazowego obwodu do manipulowania małymi próbkami biologicznymi bez ich dotykania – to w zasadzie narzędzie pozbawione kontaktu, idealne dla sytuacji, w których sam kontakt mógłby zafałszować pomiar.

Frequently asked questions

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Acoustic Levitation i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.