Сила звука: акустическая левитация / Хабр
Британские ученые тм физики из Университета в Бристоле разработали акустический левитатор, способный при помощи одного ультразвукового луча поднимать в воздух и удерживать объекты больше длины волны. Авторы заявили об успешном эксперименте месяц назад на страницах Physical Review Letters. Подробные данные об исследовании также опубликованы здесь
Как сообщают физики, им удалось осуществить эксперимент, благодаря созданию акустического вихря, который заставил взлететь и удерживаться над поверхностью излучателя шар диаметром полтора сантиметра. Если вы не в курсе, то раньше длина волны была принципиальным, фундаментальным ограничением для однолучевых акустических левитаторов. Ещё раньше проблемой было само создание левитатора, использующего один луч. Для получения эффекта применяли два источника ультразвука. Тема показалась мне интересной и значимой. Под катом подробнее об акустической левитации объектов и исследовании британцев.
Несколько слов об акустической левитации
Вики определяет акустическую левитацию, как
“устойчивое положение весомого объекта в стоячей акустической волне.”
Это явление известно с 1934 года, когда его теоретически доказал Л.Кингом, позже в 1961 г. выводы о возможности явления сделаны Л.П.Горьковым.
Суть принципа, на котором работают акустические левитаторы, заключается в создании интерференции когерентных звуковых волн, которая приводит к возникновению локальных областей повышения давления. Благодаря этому тело может удерживаться в той или иной области пространства, а также перемещаться.
Ученые, которые занимаются темой акустической левитации, верят в большое будущее этого явления. Футуристические проекты предполагают подъем и перемещение различных объектов, оснащение левитаторами системы управления складами, применение в портах и на производствах. Однако до такой массы и размеров левитаторам пока очень далеко.
Лирическое отступление
В детстве, в далёких 90-х, мне доводилось играть в космическую цивилизационную стратегию Ascendancy. В ней планеты можно было оснащать т.н. tractor beam (захватным лучом), который был способен притягивать объекты из космоса. Удивился, когда дожил до момента изобретения похожего, пусть и миниатюрного, устройства.
Как размер перестал иметь значение
Ранние однолучевые акустические левитаторы разрабатывались различными учеными, в т.ч. Азьера Марцо (Asier Marzo) из Бристоля и бразильцем Марко Аурелио Бриццотти Андраде из университета Сан-Паулу. Они смогли добиться левитации объектов диаметром не более 4 миллиметра. Максимальный размер предметов, которые поднимал в воздух такой левитатор, должен был быть меньше длины стоячей волны.
На этот раз бристольские ученые смогли преодолеть это принципиальное ограничение, используя специальный алгоритм управления излучателями,. Благодаря системе управления излучением, полусферической форме и точному расчету мощности источников ультразвукового излучения получилось создать акустические вихри, способные удержать крупный предмет. Новый сферический левитатор объединяет 192 ультразвуковых излучателя с частотой 40 кГц (длина волны при н.у. составляет 0,87 см). Излучатели смонтированы на внутренней поверхности сферы диаметром 192 мм.
Благодаря алгоритму управления ультразвуковыми сигналами создаются несколько вихрей с одинаковой спиральностью и различными направлениями. В зоне их действия возникают локальные области высокого давления, удерживающие объект. Максимальный диаметр шара, который поднял в воздух бристольский аппарат — 1,6 см, что практически в 2 раза больше, чем длина волны, которую создает прибор. Также устройство способно изменять скорость вращения шарика, за счет изменения направления ультразвуковых вихрей.
Неожиданные двухмерные эффекты
Эксперименты ученых продемонстрировали, что при фиксации одной из координат (например, когда предмет находится на поверхности), левитатор новой конструкции способен захватывать и вращать объекты, превышающие длину волны в 5-6 раз. Этот эффект открывает новые возможности для применения устройств с акустическими вихрями. Предполагается их использование для создания центрифуг и лабораторных систем управления микро и макро частицами.
Итог
Успехи бристольской команды (Asier Marzo, Mihai Caleap и Bruce W. Drinkwater) показывают, что, вероятно, в ближайшем будущем акустические левитаторы будут применяться для создания лабораторного, а позже и промышленного оборудования.
Возможно, в обозримом будущем акустическая левитация сможет заменить магнитную, которая сегодня активно применяется для создания оригинального дизайна различных устройств, в том числе акустических систем и проигрывателей винила.
Не исключено, что когда-нибудь человечество увидит и мощный акустический tractor beam (как в Ascendancy), способный фиксировать и перемещать действительно крупные объекты.
Парктроник и Arduino превратили в акустический левитатор
Исследователи из британского Бристольского университета создали инструкцию по сборке относительно дешевого акустического левитатора в домашних условиях. В состав этого левитатора входят напечатанная пластиковая стойка, ультразвуковые датчики парковки для автомобилей и микроконтроллер Arduino Nano. Подробная инструкция опубликована в журнале Review of Scientific Instruments, а краткая ее версия, а также список необходимых для сборки левитатора компонентов, 3D-модели для печати элементов его конструкции и скетч для микроконтроллера можно найти здесь.
Звук представляет собой упругую волну, перемещающуюся в твердой, жидкой или газообразной среде. Акустическая левитация представляет собой метод удержания объектов в так называемой стоячей волне.
Она образуется, если направить друг на друга несколько когерентных волн. Поскольку звуковая волна представляет собой колебания давления, то в пространстве образуются области с повышенным и пониженным давлениями. При этом если объект, помещенный в стоячую волну будет в два или более раз меньше длины акустической волны, он зависнет в одной из этих областей.
Акустические левитаторы существуют уже довольно давно, хотя ее практическое применение пока не проработано. В современных акустических левитаторах, работающих с ультразвуком, используются преобразователи Ланжевена. Так называются акустические ультразвуковые излучатели, построенные на основе пьезоэлектрического диска. Эти излучатели требуют довольно точных техпроцессов изготовления и относительно дороги. Новый проект домашнего акустического левитатора позволяет собрать такое устройство с минимальными затратами.
Представленный британскими исследователями проект позволяет собрать два устройства на выбор: небольшое TinyLev и более крупное BigLev.
Для первого необходимы 72 ультразвуковых излучателя от автомобильного парктроника диаметром десять миллиметров, работающих с частотой 40 килогерц. Кроме того, потребуется один напечатанный держатель датчиков. Для большей версии левитатора потребуются уже 72 излучателя диаметром 16 миллиметров и два напечатанных держателя. Общую стоимость необходимых деталей исследователи не уточняют.
Для сборки устройства потребуются также контроллер Arduino Nano, драйвер шаговых двигателей на основе микросхемы L298N, а также блок питания, провода, переключатель и кусок фанеры или пластика для изготовления подставки. В устройстве держатель излучателей представляет собой две расположенные друг напротив друга полусферы, в каждой из которых размещаются по 36 датчиков парктроника. Во время работы при температуре воздуха 25 градусов Цельсия они создают волну длиной 8,65 миллиметра, а образованная ими стоячая волна позволяет удерживать объекты диаметром не более четырех миллиметров.
Следует отметить, что идея сборки дешевого акустического левитатора в домашних условиях не нова.
Например, ведущий канала WildMania на YouTube собрал крайне простое и очень дешевое такое устройство еще летом прошлого года. В нем используются только Arduino, биполярный транзистор BC548, трансформатор, резисторы и ультразвуковой излучатель от распространенного датчика HC-SR04. Во время работы излучатель создает акустическую волну, которая затем отражается обратно от предмета над устройством. При взаимодействии излученной и отраженной волн и возникает стоячая волна, в которой можно размещать объекты.
В конце июня текущего года инженеры из литовской компании Neurotechnology представили устройство для полностью бесконтактной пайки. Оно позволяет перемещать элементы по печатной плате с помощью акустической левитации и припаивать их с помощью лазера.
Компания планирует доработать технологию бесконтактной пайки до уровня, при котором ее можно будет применять не в лабораторных условиях, а на производстве.
Василий Сычёв
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Знакомьтесь с командой: Левитаторы
Агентство712 просмотра 7 лайков
Акустическая левитация в ближнем поле (NFAL) — это явление, которое возникает, когда вибрирующая пластина заставляет объект над или под ней подниматься в воздух под действием поля давления, создаваемого вибрациями. Этот эффект находит применение во многих областях: в подшипниках с низким коэффициентом трения, бесконтактной микросборке, производстве ультразвуковых двигателей и транспортировке хрупких предметов. Поэтому важно понимать поведение акустически левитирующих объектов в различных условиях, чтобы иметь возможность развивать эту технологию. В отсутствие стандартной, универсально применимой теории, описывающей поведение объектов в NFAL, гипергравитацию можно использовать как полезный инструмент для оценки достоверности существующих моделей.
С этой целью мы, как трое студентов бакалавриата по физике Университета Дарема (Соединенное Королевство), стремимся исследовать точное поведение NFAL в гипергравитации и тем самым углубить наше понимание этого явления. Любая информация, которую это исследование может дать в отношении моделей, которые лучше всего описывают данные, может повлиять на степень использования NFAL. Если мы обнаружим, что эффекты гравитации вызывают ухудшение или улучшение эффекта, это знание будет иметь последствия для применимости NFAL к ускоряющим системам или даже к средам с высокой гравитацией, которые могут быть обнаружены, например, во время космических полетов.
Для выполнения этих задач мы измерим высоту левитации, резонансную частоту и амплитуду, а также результирующую силу, действующую на левитирующий объект. Такие измерения будут выполняться при различной силе гравитации, частоте и амплитуде датчика. Мы стремимся использовать лазерные дальномеры и чувствительные весы для измерения положения объекта и силы, действующей на него, в зависимости от времени.
Хотите регулярно получать новости о ходе эксперимента? Следите за командой на их медиа-платформах!
- Веб-сайт
- Фейсбук
- Твиттер
- Инстаграм
- Линкедин
- Ютуб
Спасибо за лайк
Вам уже понравилась эта страница, вы можете поставить лайк только один раз!
9Белая футболка с коротким рукавом 0000 Cut Worms Levitators $root.artistsMenu.setActiveLabelMemberBand(id)”> ••• $root.
