Як це працює
Ультразвуковий перетворювач (випромінювач) спрямований на жорсткий рефлектор. Коли відстань між ними дорівнює цілому числу половин довжини хвилі, d = n·λ/2, вихідна та відбита хвилі інтерферують, утворюючи стоячу хвилю з фіксованими вузлами й пучностями тиску. Частинка, значно менша за довжину хвилі, розсіює це поле слабко, але розсіювання все одно створює чисту усереднену в часі силу, що діє на неї — акустичну силу випромінювання.
Ця сила випливає з потенціалу Горькова U(z), побудованого з усереднених у часі квадратів тиску і швидкості звукового поля, зважених коефіцієнтами монопольного та дипольного розсіювання частинки (які залежать від того, наскільки стисливою і щільною є частинка порівняно з повітрям). Для твердої чи рідкої частинки, щільнішої за повітря, U(z) має мінімум у вузлах тиску, тож частинку притягує до них; відновлювальна сила поблизу вузла поводиться як пружина, спричиняючи коливання при збуренні частинки. Сила тяжіння дещо зміщує справжню рівновагу від ідеального вузла, а якщо пікова сила випромінювання взагалі не може перевищити вагу частинки, стабільної рівноваги не існує, і частинка провалюється крізь поле.
F(z) = −dU/dz = 2πa³·(P₀²/ρ₀c²)·k·sin(2kz)·(f₁/3 + f₂/2)
f₂ = 2(ρₚ−ρ₀)/(2ρₚ+ρ₀), f₁ ≈ 1 (жорстка частинка в повітрі)
m·z″ = F(z) + m·g − b·z′, резонанс: d = n·λ/2
Часті запитання
Що таке акустична левітація?
Акустична левітація використовує стоячу ультразвукову хвилю, що утворюється між випромінювачем (ультразвуковим перетворювачем) і рефлектором, щоб утримувати невеликі об'єкти у повітрі. Вузли тиску цієї хвилі створюють акустичну силу випромінювання, яка може врівноважити силу тяжіння й утримати дрібну частинку на місці без жодного фізичного контакту.
Чому відстань між випромінювачем і рефлектором має дорівнювати цілому числу половин довжини хвилі?
Стабільна стояча хвиля формується лише тоді, коли випромінювач і рефлектор розділені відстанню d = n·λ/2 (n = 1, 2, 3…), щоб відбита хвиля підсилювала випромінену, а не гасила її. За будь-якої іншої відстані резонанс слабкий або відсутній, а вузли тиску, потрібні для утримання, стають мілкими або нестабільними.
Чому акустична левітація здатна утримувати лише дрібні, легкі частинки?
Акустична сила випромінювання та вага частинки обидві масштабуються з об'ємом частинки, тому для точкової частинки їхнє співвідношення в принципі не залежить від розміру. На практиці модель справедлива лише для частинок, значно менших за довжину хвилі (міліметрового масштабу й менше для ультразвукових частот); більші частинки розсіюють і дифрагують звукове поле, руйнуючи просту картину утримання, тому левітатори обмежені дрібними, легкими об'єктами.
Як акустична левітація використовується у безконтейнерній обробці матеріалів?
Оскільки частинка ніколи не торкається стінок контейнера, акустична левітація дозволяє дослідникам плавити, охолоджувати чи кристалізувати матеріали без забруднення чи нуклеації, спричиненої контейнером. Це використовують для вивчення переохолоджених розплавів, утворення скла та реактивних чи корозійних матеріалів, які інакше пошкодили б тигель.
Чи може акустична левітація змішувати фармацевтичні інгредієнти без контейнера?
Так. Фармацевтичні дослідники використовують акустичні левітатори, щоб утримувати мікролітрові краплі лікарських формул у повітрі під час змішування, випаровування розчинника чи ініціювання кристалізації, уникаючи будь-якого контакту з поверхнями контейнера, які могли б спричинити небажані форми кристалів або внести забруднення.
Чому дослідники використовують акустичну левітацію для вивчення умов мікрогравітації на Землі?
Врівноважуючи силу тяжіння акустичною силою випромінювання, левітована крапля чи частинка поводиться подібно до об'єкта, що плаває у мікрогравітації, дозволяючи науковцям вивчати поверхневий натяг, динаміку рідин чи горіння без витрат на реальний космічний політ чи баштовий експеримент вільного падіння.
Чим акустична левітація відрізняється від магнітної чи оптичної левітації?
Магнітна левітація вимагає, щоб об'єкт був магнітним або надпровідним, а оптична левітація (оптичний пінцет) використовує сфокусоване лазерне світло для утримання мікроскопічних, зазвичай прозорих частинок. Акустична левітація натомість працює майже з будь-якою дрібною твердою чи рідкою речовиною незалежно від її електричних чи магнітних властивостей, використовуючи лише звуковий тиск.
Чому вища ультразвукова частота дозволяє левітувати менші частинки й точніше керувати ними?
Вища частота означає коротшу довжину хвилі, яка розташовує вузли тиску ближче один до одного і збільшує хвильове число k у формулі сили випромінювання, посилюючи відновлювальну силу за тієї ж амплітуди тиску. Коротші хвилі також зберігають чинність наближення малої частинки для менших об'єктів, дозволяючи точніше позиціонування.
Чи безпечно перебувати поруч з ультразвуком, що використовується в акустичній левітації?
Частоти 20-60 кГц лежать вище діапазону чутності людини, але рівні звукового тиску, що застосовуються (часто 160-165 дБ поблизу перетворювача), достатньо інтенсивні, щоб спричинити дискомфорт, нудоту чи локальний нагрів при тривалому близькому впливі, тому левітатори зазвичай експлуатують із засобами захисту слуху та на безпечній відстані.