Sådan fungerer akustisk levitation

Medmindre du rejser ind i rumets vakuum, lyden er omkring dig hver dag. Men for det meste, du tænker det sandsynligvis ikke som en fysisk tilstedeværelse. Du hører lyde; du rører dem ikke. De eneste undtagelser kan være høje natklubber, biler med vinduesrammende højttalere og ultralydsmaskiner, der pulveriserer nyresten. Men selv da, du tænker sandsynligvis ikke på, hvad du føler som lyd i sig selv, men som de vibrationer, som lyden skaber i andre objekter.

Tanken om, at noget så immaterielt kan løfte genstande, kan virke utroligt, men det er et rigtigt fænomen. Akustisk levitation udnytter lydens egenskaber til at forårsage faste stoffer, flydende væsker og tunge gasser. Processen kan finde sted i normal eller reduceret tyngdekraft. Med andre ord, lyd kan svæve genstande på jorden eller i gasfyldte indhegninger i rummet.

For at forstå, hvordan akustisk levitation fungerer, du skal først vide lidt om tyngdekraft , luft og lyd . Først, tyngdekraften er en kraft der får objekter til at tiltrække hinanden. Den enkleste måde at forstå tyngdekraften er gennem Isaac Newtons lov om universel tyngdekraft. Denne lov siger, at hver partikel i universet tiltrækker hver anden partikel. Jo mere massivt et objekt er, jo stærkere den tiltrækker andre genstande. De tættere objekter er, jo stærkere de tiltrækker hinanden. Et enormt objekt, ligesom jorden, tiltrækker let genstande, der er tæt på det, som æbler hængende fra træer. Forskere har ikke besluttet præcis, hvad der forårsager denne attraktion, men de tror, ​​at det findes overalt i universet.

Sekund, luft er en væske der opfører sig stort set på samme måde som væsker gør. Ligesom væsker, luft er lavet af mikroskopiske partikler, der bevæger sig i forhold til hinanden. Luft bevæger sig også som vand gør - faktisk nogle aerodynamiske tests finder sted under vandet i stedet for i luften. Partiklerne i gasser, som dem, der danner luft, er simpelthen længere fra hinanden og bevæger sig hurtigere end partiklerne i væsker.

Tredje, lyd er en vibration der bevæger sig gennem et medium, som en gas, en væske eller en fast genstand. En lydkilde er et objekt, der bevæger sig eller ændrer form meget hurtigt. For eksempel, hvis du slår en klokke, klokken vibrerer i luften. Da den ene side af klokken bevæger sig ud, det skubber luftmolekylerne ved siden af ​​det, øge trykket i det pågældende område af luften. Dette område med højere tryk er a kompression . Da klokkens side bevæger sig tilbage, det trækker molekylerne fra hinanden, skaber en region med lavere tryk kaldet a sjældenhed . Klokken gentager derefter processen, skaber en gentagende serie af kompressioner og sjældenheder. Hver gentagelse er en bølgelængde af lydbølgen.

Lydbølgen bevæger sig, mens de bevægelige molekyler skubber og trækker molekylerne omkring dem. Hvert molekyle flytter det ene ved siden af ​​det efter tur. Uden denne bevægelse af molekyler, lyden kunne ikke rejse, derfor er der ingen lyd i et vakuum. Du kan se følgende animation for at lære mere om det grundlæggende i lyd.

Klik på pilen for at gå videre til det næste dias.

Akustisk levitation bruger lyd rejser gennem en væske - normalt en gas- for at afbalancere kraften af tyngdekraft . På jorden, dette kan medføre, at genstande og materialer svæver uden understøttelse i luften. I rummet, det kan holde objekter stabilt, så de ikke bevæger sig eller driver.

Processen bygger på egenskaberne af lydbølger, især intense lydbølger. Vi vil se på, hvordan lydbølger bliver i stand til at løfte genstande i det næste afsnit.

Fysikken i lyd Levitation

En grundlæggende akustisk levitator har to hoveddele - a transducer , som er en vibrerende overflade, der giver lyd, og a reflektor . Tit, transduceren og reflektoren har konkav overflader, der hjælper med at fokusere lyden. En lydbølge bevæger sig væk fra transduceren og hopper af reflektoren. Tre grundlæggende egenskaber ved denne rejse, reflekterende bølge hjælper den med at suspendere objekter i luften.

Først, bølgen, som al lyd, er en langsgående trykbølge. I en langsgående bølge, bevægelse af punkterne i bølgen er parallel med den retning, bølgen bevæger sig. Det er den slags bevægelse, du ville se, hvis du skubbede og trak den ene ende af en strakt Slinky. De fleste illustrationer, selvom, skildre lyd som en tværgående bølge, hvilket er, hvad du ville se, hvis du hurtigt flyttede den ene ende af Slinky op og ned. Dette er simpelthen fordi tværgående bølger er lettere at visualisere end langsgående bølger.

Sekund, bølgen kan hoppe ud af overflader. Det følger lov om refleksion , der siger, at indfaldsvinkel - vinklen, hvormed noget rammer en overflade- er lig med refleksionsvinkel - vinklen, hvormed den forlader overfladen. Med andre ord, en lydbølge hopper af en overflade i samme vinkel, som den rammer overfladen. En lydbølge, der rammer en overflade frontalt i en 90 graders vinkel, reflekterer lige tilbage i samme vinkel. Den letteste måde at forstå bølgebehandling er at forestille sig en Slinky, der er fastgjort til en overflade i den ene ende. Hvis du tog den frie ende af Slinky og flyttede den hurtigt op og derefter ned, en bølge ville rejse forårets længde. Når den nåede den faste ende af foråret, det ville reflektere ud af overfladen og rejse tilbage mod dig. Det samme sker, hvis du skubber og trækker den ene ende af foråret, skaber en langsgående bølge.

Endelig, når en lydbølge reflekterer ud af en overflade, samspillet mellem dets kompressioner og sjældne årsager interferens . Kompressioner, der møder andre kompressioner, forstærker hinanden, og kompressioner, der møder sjældenheder, balancerer hinanden. Sommetider, refleksion og interferens kan kombineres til at skabe en stående bølge . Stående bølger ser ud til at bevæge sig frem og tilbage eller vibrere i segmenter frem for at rejse fra sted til sted. Denne illusion af stilhed er det, der giver stående bølger deres navn.

Stående lydbølger har defineret knudepunkter , eller områder med minimumstryk og antinoder , eller områder med maksimalt tryk. En stående bølge noder er kernen i akustisk levitation. Forestil dig en flod med klipper og strømfald. Vandet er roligt i nogle dele af floden, og det er turbulent i andre. Flydende affald og skum samles i rolige dele af floden. For at et flydende objekt skal forblive stille i en hurtigt bevægelig del af floden, det skulle være forankret eller fremdrevet mod vandets strømning. Dette er i det væsentlige, hvad en akustisk levitator gør, ved hjælp af lyd, der bevæger sig gennem en gas i stedet for vand.

Ved at placere en reflektor den rigtige afstand væk fra en transducer, den akustiske levitator skaber en stående bølge. Når bølgens orientering er parallel med tyngdekraften, dele af den stående bølge har et konstant tryk nedad, og andre har et konstant tryk opad. Knudepunkterne har meget lidt pres.

I rummet, hvor der er lidt tyngdekraft, flydende partikler samles i den stående bølge noder, som er rolige og stille. På jorden, objekter samler lige under knudepunkterne, hvor er akustisk strålingstryk , eller mængden af ​​tryk, som en lydbølge kan udøve på en overflade, balancerer tyngdekraften.

Det kræver mere end bare almindelige lydbølger at levere denne mængde tryk. Vi vil se på det særlige ved lydbølgerne i en akustisk levitator i det næste afsnit.

Flere medicinske procedurer er afhængige af ikke -lineær akustik. For eksempel, ultralydsbilleddannelse bruger ikke -lineære effekter til at give læger mulighed for at undersøge babyer i livmoderen eller se indre organer. Højintensitets ultralydsbølger kan også pulverisere nyresten, kauterisere indre skader og ødelægge tumorer.

Ikke -lineær lyd og akustisk levitation

Almindelige stående bølger kan være relativt kraftfulde. For eksempel, en stående bølge i en luftkanal kan få støv til at samle sig i et mønster, der svarer til bølgens knuder. En stående bølge, der genlyder gennem et rum, kan få objekter i vejen til at vibrere. Lavfrekvente stående bølger kan også få folk til at føle sig nervøse eller desorienterede-i nogle tilfælde forskere finder dem i bygninger, folk rapporterer at være hjemsøgt.

Men disse bedrifter er små kartofler sammenlignet med akustisk levitation. Det kræver langt mindre indsats at påvirke, hvor støv sætter sig eller at knuse et glas, end det tager at løfte genstande fra jorden. Almindelige lydbølger er begrænset af deres lineær natur. Forøgelse af bølgens amplitude får lyden til at blive højere, men det påvirker ikke bølgeformens form eller får den til at være meget mere fysisk kraftfuld.

Imidlertid, ekstremt intense lyde - som lyde, der er fysisk smertefulde for menneskelige ører - er normalt ikke -lineær . De kan forårsage uforholdsmæssigt store reaktioner i de stoffer, de rejser igennem. Nogle ikke -lineære påvirkninger omfatter:

• Forvrængede bølgeformer
• Chokbølger, som lydbomme
• Akustisk streaming, eller den konstante strøm af væsken, som bølgen bevæger sig igennem
• Akustisk mætning, eller det punkt, hvor stoffet ikke længere kan absorbere mere energi fra lydbølgen

Ikke -lineær akustik er et komplekst felt, og de fysiske fænomener, der forårsager disse virkninger, kan være svære at forstå. Men generelt set ikke -lineære påvirkninger kan kombineres til at lave en intens lyd langt mere kraftfuld end en mere støjsvag. Det er på grund af disse påvirkninger, at en bølges akustiske strålingstryk kan blive stærkt nok til at afbalancere tyngdekraften. Intens lyd er central for akustisk levitation - transducerne i mange levitatorer producerer lyde på over 150 decibel (dB). Almindelig samtale er omkring 60 dB, og en høj natklub er tættere på 110 dB.

Levitating objekter med lyd er ikke helt så simpelt som at sigte en kraftig transducer mod en reflektor. Forskere skal også bruge lyde af den korrekte frekvens til at skabe den ønskede stående bølge. Enhver frekvens kan producere ikke -lineære effekter ved den rigtige lydstyrke, men de fleste systemer bruger ultralydsbølger, som er for høje til at folk kan høre. Ud over bølgens frekvens og volumen, forskere skal også være opmærksomme på en række andre faktorer:

• Afstanden mellem transduceren og reflektoren skal være et multiplum af halvdelen af ​​bølgelængden af ​​den lyd, transduceren producerer. Dette producerer en bølge med stabile noder og antinoder. Nogle bølger kan producere flere brugbare noder, men dem, der er nærmest transduceren og reflektoren, er normalt ikke egnede til at svæve genstande. Dette skyldes, at bølgerne skaber en trykzone tæt på de reflekterende overflader.
• I en mikrogravitationsmiljø , såsom det ydre rum, de stabile områder inden for noderne skal være store nok til at understøtte det flydende objekt. På jorden, højtryksområderne lige under knuden skal også være store nok. Af denne grund, objektet, der svæves, skal måle mellem en tredjedel og halvdelen af ​​lydens bølgelængde. Objekter større end to tredjedele af lydens bølgelængde er for store til at blive svævet - feltet er ikke stort nok til at understøtte dem. Jo højere lydens frekvens er, jo mindre diameteren på objekterne er det muligt at svæve.
• Objekter, der har den rigtige størrelse at svæve, skal også have den rigtige masse. Med andre ord, forskere skal evaluere objektets tæthed og afgøre, om lydbølgen kan producere nok tryk til at modvirke tyngdekraften på den.
• Dråber væske, der svæves, skal have en egnet Obligationsnummer , som er et forhold, der beskriver væskens overfladespænding, densitet og størrelse i forbindelse med tyngdekraften og den omgivende væske. Hvis obligationstallet er for lavt, dråben vil briste.
• Intensiteten af ​​lyden må ikke overvælde overfladespændingen af ​​væskedråber, der svæves. Hvis lydfeltet er for intens, dråben flader til en doughnut og brister derefter.

Dette kan lyde som meget arbejde, der kræves for at suspendere små genstande et par centimeter væk fra en overflade. Svævende små genstande - eller endda små dyr - en kort afstand kan også lyde som en relativt ubrugelig praksis. Imidlertid, akustisk levitation har flere anvendelser, både på jorden og i det ydre rum. Her er et par:

• Fremstilling af meget små elektroniske enheder og mikrochips involverer ofte robotter eller komplekse maskiner. Akustiske levitatorer kan udføre den samme opgave ved at manipulere lyd. For eksempel, svævede smeltede materialer vil gradvist afkøle og hærde, og i et korrekt afstemt lydfelt, den resulterende faste genstand er en perfekt kugle. Tilsvarende et korrekt formet felt kan tvinge plast til kun at aflejre og hærde på de korrekte områder af en mikrochip.
• Nogle materialer er ætsende eller reagerer på anden måde med almindelige beholdere, der bruges under kemisk analyse. Forskere kan suspendere disse materialer i et akustisk felt for at studere dem uden risiko for kontaminering fra eller ødelæggelse af containere.
• Studiet af skumfysik har en stor hindring - tyngdekraften. Tyngdekraften trækker væsken nedad fra skum, tørre og ødelægge det. Forskere kan indeholde skum med i akustiske felter for at studere det i rummet, uden tyngdekraftens indblanding. Dette kan føre til en bedre forståelse af, hvordan skum udfører opgaver som rengøring af havvand.

Forskere fortsætter med at udvikle nye opsætninger til levitationssystemer og nye applikationer til akustisk levitation. For at lære mere om deres forskning, lyd og beslægtede emner, tjek linkene på den næste side.

Selvom en levitator med en transducer og en reflektor kan suspendere genstande, nogle opsætninger kan øge stabiliteten eller tillade bevægelse. For eksempel, nogle levitatorer har tre par transducere og reflektorer, der er placeret langs X, Y- og Z -akser. Andre har en stor sender og en lille, bevægelig reflektor; det suspenderede objekt bevæger sig, når reflektoren bevæger sig.

Masser mere information

relaterede artikler

• Sådan fungerer LRAD
• Sådan fungerer højttalere
• Sådan fungerer høringen
• Sådan fungerer forstærkere
• Sådan fungerer THX
• Hvad er en decibel, og hvad er den højeste lyd, jeg kan lytte til, før det gør ondt i mine ører?
• Hvad er hvid støj?
• Hvorfor kan du høre havet, når du holder en muslingeskal for øret?
• Hvordan virker tyngdekraften?
• Hvad forårsager en lydbom?
• Kan to dåser og en snor virkelig bruges til at tale over en afstand?

Flere store links

• Introduktion til computermusik:bind 1
• Stående bølger og musikinstrumenter
• U.C. Davis:Traveling Waves
• University of Georgia HyperPhysics

Kilder

• Alan B. Coppens, "Lyd", i AccessScience@McGraw-Hill, http://www.accessscience.com, DOI 10.1036/1097-8542.637200, sidst ændret:26. august kl. 2005.
• Anilkumar, A.V. et al. "Stabilitet af en akustisk leviteret og fladlagt dråbe:En eksperimentel undersøgelse." Center for Microgravity Research and Applications, Vanderbilt University. 16.7.1993.
• Choi, Charles. "Forskere svæver små dyr." LiveScience. 11/29/2006. http://www.livescience.com/technology/061129_acoustic_levitation.html
• Choi, Charles. "Lydbølger holder Heavy Metal højt." Videnskab nu. 2/8/2002.
• Clery, Daniel. "Teknologi:Afbrydelse af eksperimenter i tynd luft." Ny videnskabsmand. 25.4.1992. http://www.newscientist.com/article/mg13418183.800-technology- suspending-experiment-in-thin-air-.html
• Danley, et al. U.S. patent 5, 036, 944. "Metode og apparat til akustisk levitation." 8/4/2001.
• Daviss, Bennett. "Ud af tynd luft." Ny videnskabsmand. Ny videnskabsmand. 01.09.2001. http://www.newscientist.com/article/mg17123064.600-out-of-thin-air.html
• Eastern Illinois Department of Physics:Akustisk levitation http://www.eiu.edu/~physics/acoustic.php
• Fletcher, et al. U.S. patent 3, 882, 732. "Materialesuspension i et akustisk ophidset resonanskammer." 13.5.1995.
• Guigne, et al. U.S. patent 5, 500, 493. "Akustisk Beam Levitation." 19.5.1996.
• Henry E. Bass, Brian Fowlkes, Veerle M. Keppens, "Ultralyd", i AccessScience@McGraw-Hill, http://www.accessscience.com, DOI 10.1036/1097-8542.719500, sidst ændret:8. august kl. 2002.
• Holt, Glynn og Greg McDaniel. "Brug af akustisk levitation til at flyde skum i rummet." Acoustical Society of America 136. møde Lay Language Papers. http://www.acoustics.org/press/136th/holt2.htm
• Kenneth S. Suslick, "Sonokemi", i AccessScience@McGraw-Hill, http://www.accessscience.com, DOI 10.1036/1097-8542.637005, sidst ændret:2. maj kl. 2002.
• Leo L. Beranek, "Bølgebevægelse", i AccessScience@McGraw-Hill, http://www.accessscience.com, DOI 10.1036/1097-8542.740500, sidst ændret:16. august kl. 2002.
• Lierke, F.EKS. "Ultrasonic Levitator - Rumteknologi til terrestriske applikationer." European Space Agency. http://esapub.esrin.esa.it/pff/pffv6n3/stiv6n3.htm
• Mark F. Hamilton, "Ikke -lineær akustik", i AccessScience@McGraw-Hill, http://www.accessscience.com, DOI 10.1036/1097-8542.455450, sidst ændret:18. april kl. 2003.
• Oran, et. al. U.S. patent 4, 218, 921. "Metode og apparat til formning og forstærkning af akustiske levitationsstyrker." 26.08.1980. USPTO.
• Rey, Charles A. U.S. patent 4, 284, 403. "Akustisk levitation og metoder til manipulation af leviterede objekter." 18.8.2001.
• Robert E. Apfel, "Akustisk levitation", i AccessScience@McGraw-Hill, http://www.accessscience.com, DOI 10.1036/1097-8542.005800, sidst ændret:16. juli, 2001.
• Robert E. Apfel, "Akustisk strålingstryk", i AccessScience@McGraw-Hill, http://www.accessscience.com, DOI 10.1036/1097-8542.006200, sidst ændret:16. juli, 2001.
• Rudolf Tuckermann, Sigurd Bauerecker, "Ultralydsfangst af gasser", i AccessScience@McGraw-Hill, http://www.accessscience.com, DOI 10.1036/1097-8542.YB041145, sidst ændret:4. marts 2004.
• Santesson, Sabina og Staffan Nilsson. "Luftbåren kemi:Akustisk levitation i kemisk analyse." Analytisk og bioanalytisk kemi. 2004.
• Schmidt-Jones, Catherine. "Hvad er en Standing Wave?" Forbindelser. http://cnx.org/content/m12413/latest/
• Strauss, Stephen. "Se Ma, Ingen hænder. "Technology Review. August/september 1988.
• Tec5 AG. "Manual til akustisk levitator." 2004. http://www.tec5hellma.com/Download/Literature/Documents/ Systems/Manual_Levitator.pdf
• UGA Hyperphysics:Reflection of Sound http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/sound/reflec.html
• University of Idaho:Akustisk levitation http://www.webs1.uidaho.edu/fluidslab/Fluids/ AcousticLevitation/levitated_water_droplets.htm
• William M. Carey, "Lydtryk", i AccessScience@McGraw-Hill, http://www.accessscience.com, DOI 10.1036/1097-8542.637500, sidst ændret:30. juli, 2002.
• Xie, W.J. og B. Wei. "Parametrisk undersøgelse af enkeltakset akustisk levitation." Anvendt fysik bogstaver. 8/6/2001.