Акустичне Підвищення Звуку: Як Стаціонарна Звукова Хвиля Утримує Об'єкти в Повітрі

Звук має імпульс, і імпульс може підтримувати об'єкт у повітрі

Звугова хвиля несе не лише енергію, але й невеликий, стабільний поштовх у напрямку свого розповсюдження – акустичну силу радіації. Для звичайних динаміків цей ефект настільки малий, що його практично не помітно, але зосередьте достатньо ультразвукової інтенсивності в стоячій хвилі, і ця сила стане достатньо сильною, щоб скасувати гравітацію на невеликому об’єкті, утримуючи його у повітрі без фізичного контакту.

Ключ до цього – стояча хвиля. Дві протилежні трансляторні масиви випромінюють ультразвук на однакову частоту один проти одного; що виходячи, то відбиті (або навпаки випромінені) хвилі інтерферують, утворюючи стаціонарний патерн тисків-вузлів (нульової амплітуди коливань) та антивузлів (максимальної амплітуди), розділених на відстань половини довжини хвилі. Невеликий, легкий об'єкт, який падає в це поле, не відчуває рівномірного середнього поля – нелінійні акустичні ефекти діють на нього, створюючи невелику середню за часом чисту силу тяжіння, яка притягує його до найближчого вузла тиску, де він встановлюється та залишається.

Потенціал Гор’кова

Ретельний аналіз для частинки, значно меншої за довжину хвилі акустичного поля, був розроблений Левом Гор’ковим у 1962 році. Він показав, що середнє за час відведений радіаційний тиск на таку частинку є негативним градієнтом скалярного потенціалу U, побудованого з локальних полів акустичного тиску та швидкостей:

U = 2*pi*r^3 * [ f1/3 * kappa_0 * <p^2> - f2 * 3/2 * rho_0 * <v^2> ] f1 = 1 - kappa_p/kappa_0 (відношення стисливності) f2 = 2*(rho_p - rho_0) / (2*rho_p + rho_0) (відношення щільності) F = -grad(U) // радіаційний тиск де r – радіус частинки, kappa – відношення стисливності, а rho – відношення щільності, з позначенням 0 для навколишньої рідини (повітря), а p – для частинки. Круглі дужки позначають часове усереднення протягом одного акустичного періоду. Для твердого або рідкого шару в повітрі обидва коефіцієнти контрасту є позитивними, що робить мінімум потенціалу – і відповідно стабільну пастку – саме в точках нульового тиску стоячої хвилі. Саме тому левітазовані кульки на демонстраційній лінії вирівнюються у чіткі, рівномірно віддалені ряди: одна кулька на точці, на відстані пів довжини хвилі.

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

Чому саме ультразвук

Радіаційна сила залежить від об’єму частинки, але при цьому враховується градієнт акустичної інтенсивності. Тому потрібне високе амплітудне акустичне тиск з короткою довжиною хвилі – тобто висока частота. Звук достатньої гучності, щоб підняти будь-що на місце, був би непрактичним для генерації при такій інтенсивності та неприємним для сприйняття; ультразвукові транслятори з частотою близько 40 кГц (довжина хвилі приблизно 8,6 мм у повітрі) забезпечують точне регулювання відстані між узлами, безшумну роботу та, завдяки дешевим зараз пьезоэлектрическим массивам, доступним навіть для любителів, достатній акустичний тиск для підняття полістиролових кульок, крапель води, маленьких комах і навіть невеликих електронних компонентів.

Існують дві практичні геометрії для створення левітації. Класична конфігурація – це стояча хвиля однієї осі між емітером та пасивним або активним дзеркалом, яка утримує частинки вздовж лінії узлів. Більш сучасні левітатори на основі фазованих масивів використовують десятки або сотні невеликих трансляторів, фази яких обчислюються для синтезу заданого поля зосередженої сили, включаючи утримання частинок у вільному просторі без необхідності дзеркала – що дозволяє плавно переміщувати само собою утримувану структуру в 3D, змінюючи фазовий шаблон.

Реальні застосування за межами демонстрації

Акустична левітація використовується для безконтейнерної обробки: плавки та вивчення матеріалів, які реагують або забруднюються будь-яким фізичним тиглем, обробка реактивних або надпровідних хімічних зразків, а також вивчення випаровування та кристалізації крапель без поверхні підтримки, яка могла б викликати небажане зародження. У фармацевтичних дослідженнях вона використовується для спостереження за сублімацією окремих крапель з лікарських препаратів, і на біологічному рівні дослідники використовували левітацію фазованого масиву для маніпулювання невеликими біологічними зразками без контакту з ними – справді контактний інструмент для ситуацій, коли сам контакт може зіпсувати вимірювання.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Acoustic Levitation і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.