Akustisk svävning tillåter små föremål, som droppar vätska, att flyta. Foto med tillstånd av Lloyd Smith Research Group Om du inte reser in i rymdens vakuum, ljudet är runt dig varje dag. Men för det mesta, du tänker förmodligen inte på det som en fysisk närvaro. Du hör ljud; du rör dem inte. De enda undantagen kan vara högljudda nattklubbar, bilar med fönsterrattlande högtalare och ultraljudsmaskiner som pulveriserar njursten. Men även då, du tänker sannolikt inte på vad du känner som ljud i sig, men som de vibrationer som ljud skapar i andra föremål.
Tanken att något så immateriellt kan lyfta föremål kan verka otroligt, men det är ett verkligt fenomen. Akustisk svävning utnyttjar ljudets egenskaper för att orsaka fasta ämnen, vätskor och tunga gaser att flyta. Processen kan ske i normal eller minskad tyngdkraft. Med andra ord, ljud kan sväva föremål på jorden eller i gasfyllda höljen i rymden.
För att förstå hur akustisk levitation fungerar, du måste först veta lite om allvar , luft och ljud . Först, gravitation är en kraft som får föremål att locka varandra. Det enklaste sättet att förstå gravitationen är genom Isaac Newtons lag om universell gravitation. Denna lag säger att varje partikel i universum lockar varannan partikel. Ju mer massivt ett objekt är, ju starkare det drar till sig andra föremål. De närmare föremålen är, desto starkare lockar de varandra. Ett enormt föremål, som jorden, lätt attrahera föremål som ligger nära den, som äpplen som hänger från träd. Forskare har inte bestämt exakt vad som orsakar denna attraktion, men de tror att det finns överallt i universum.
Andra, luft är en vätska som beter sig väsentligen på samma sätt som vätskor gör. Som vätskor, luft består av mikroskopiska partiklar som rör sig i förhållande till varandra. Luft rör sig också som vatten gör - faktiskt vissa aerodynamiska tester sker under vattnet istället för i luften. Partiklarna i gaser, som de som bildar luft, är helt enkelt längre ifrån varandra och rör sig snabbare än partiklarna i vätskor.
Tredje, ljudet är en vibration som färdas genom ett medium, som en gas, en vätska eller ett fast föremål. Ett ljuds källa är ett objekt som rör sig eller ändrar form mycket snabbt. Till exempel, om du slår en klocka, klockan vibrerar i luften. När ena sidan av klockan rör sig ut, den skjuter luftmolekylerna bredvid den, ökar trycket i den regionen av luften. Detta område med högre tryck är a kompression . När klockans sida rör sig tillbaka, det drar isär molekylerna, skapa en region med lägre tryck som kallas a förtunning . Klockan upprepar sedan processen, skapa en upprepande serie av kompressioner och sällsynta effekter. Varje upprepning är en våglängd av ljudvågen.
Ljudvågen färdas när de rörliga molekylerna trycker och drar molekylerna runt dem. Varje molekyl flyttar den bredvid den i tur och ordning. Utan denna rörelse av molekyler, ljudet kunde inte resa, varför det inte finns något ljud i ett vakuum. Du kan titta på följande animation för att lära dig mer om grunderna i ljud.
Akustisk levitation använder ljud resa genom en vätska - vanligtvis en gas- för att balansera kraften i allvar . På jorden, detta kan få föremål och material att sväva utan stöd i luften. I rymden, det kan hålla föremål stabila så att de inte rör sig eller driver.
Processen bygger på egenskaperna hos ljudvågor, särskilt intensiva ljudvågor. Vi kommer att titta på hur ljudvågor blir kapabla att lyfta föremål i nästa avsnitt.
Akustisk levitation använder ljudtryck för att tillåta föremål att flyta. En grundläggande akustisk levitator har två huvuddelar - a givare , som är en vibrerande yta som ger ljud, och a reflektor . Ofta, givaren och reflektorn har konkav ytor för att fokusera ljudet. En ljudvåg rör sig bort från givaren och studsar av reflektorn. Tre grundläggande egenskaper för denna resa, reflekterande våg hjälper den att hänga föremål i luften.
Först, vågen, som allt ljud, är en längsgående tryckvåg. I en längsgående våg, rörelsen av punkterna i vågen är parallell med den riktning som vågen färdas. Det är den typen av rörelse du skulle se om du tryckte och drog ena änden av en sträckt Slinky. De flesta illustrationer, fastän, skildra ljud som en tvärgående Vinka, vilket är vad du skulle se om du snabbt flyttade ena änden av Slinky upp och ner. Detta beror helt enkelt på att tvärgående vågor är lättare att visualisera än längsgående vågor.
Andra, vågen kan studsa av ytor. Den följer lag för reflektion , som säger att infallsvinkel - vinkeln vid vilken något träffar en yta- är lika med reflektionsvinkel - vinkeln vid vilken den lämnar ytan. Med andra ord, en ljudvåg studsar av en yta i samma vinkel som den träffar ytan. En ljudvåg som träffar en yta direkt i 90 graders vinkel kommer att reflektera rakt tillbaka i samma vinkel. Det enklaste sättet att förstå vågreflektion är att föreställa sig en Slinky som är fäst vid en yta i ena änden. Om du tog upp den fria änden av Slinky och flyttade den snabbt upp och sedan ner, en våg skulle resa längs våren. När den väl nått den fasta änden av våren, det skulle reflektera från ytan och resa tillbaka mot dig. Samma sak händer om du trycker och drar ena änden av våren, skapar en längsgående våg.
Till sist, när en ljudvåg reflekterar bort från en yta, växelverkan mellan dess kompressioner och sällsynta orsaker interferens . Kompressioner som möter andra kompressioner förstärker varandra, och kompressioner som möter sällsynta faktorer balanserar varandra. Ibland, reflektionen och störningen kan kombineras för att skapa en stående våg . Stående vågor verkar skifta fram och tillbaka eller vibrera i segment snarare än att resa från plats till plats. Denna illusion av stillhet är det som ger stående vågor sitt namn.
Stående ljudvågor har definierat knutpunkter , eller områden med minimalt tryck, och antinoder , eller områden med maximalt tryck. En stående vågs noder är kärnan i akustisk svävning. Tänk dig en flod med stenar och forsar. Vattnet är lugnt i vissa delar av floden, och det är turbulent i andra. Flytande skräp och skum samlas i lugna delar av floden. För att ett flytande föremål ska förbli stilla i en snabbt rörlig del av floden, det skulle behöva förankras eller drivas mot vattnets flöde. Detta är i huvudsak vad en akustisk levitator gör, använder ljud som rör sig genom en gas i stället för vatten.
Genom att placera en reflektor rätt avstånd från en givare, den akustiska levitatorn skapar en stående våg. När vågens orientering är parallell med dragkraften, delar av den stående vågen har ett konstant tryck nedåt och andra har ett konstant tryck uppåt. Noderna har väldigt litet tryck.
I rymden, där det finns liten tyngdkraft, flytande partiklar samlas i den stående vågens noder, som är lugna och stilla. På jorden, objekt samlas strax under noderna, där den akustiskt strålningstryck , eller mängden tryck som en ljudvåg kan utöva på en yta, balanserar dragkraften.
Objekt svävar i ett något annorlunda område inom ljudfältet beroende på tyngdkraftens påverkan. Det krävs mer än bara vanliga ljudvågor för att leverera denna mängd tryck. Vi kommer att titta på vad som är speciellt med ljudvågorna i en akustisk levitator i nästa avsnitt.
Andra användningsområden för olinjärt ljudFlera medicinska procedurer förlitar sig på olinjär akustik. Till exempel, ultraljudsavbildning använder olinjära effekter för att låta läkare undersöka spädbarn i livmodern eller se inre organ. Högintensiva ultraljudsvågor kan också pulverisera njursten, cauterize inre skador och förstöra tumörer.
Vanliga stående vågor kan vara relativt kraftfulla. Till exempel, en stående våg i en luftkanal kan få damm att samlas i ett mönster som motsvarar vågens noder. En stående våg som ger efterklang genom ett rum kan få föremål i dess väg att vibrera. Lågfrekventa stående vågor kan också få människor att känna sig nervösa eller desorienterade-i vissa fall kan forskare hittar dem i byggnader som människor rapporterar vara hemsökta.
Men dessa bedrifter är små potatisar jämfört med akustisk svävning. Det tar mycket mindre ansträngning att påverka var damm lägger sig eller krossa ett glas än det tar för att lyfta föremål från marken. Vanliga ljudvågor begränsas av deras linjär natur. Att öka amplituden för vågen gör att ljudet blir högre, men det påverkar inte vågformens form eller gör att den blir mycket mer fysiskt kraftfull.
Dock, extremt intensiva ljud - som ljud som är fysiskt smärtsamma för mänskliga öron - är vanligtvis olinjärt . De kan orsaka oproportionerligt stora reaktioner i de ämnen de reser genom. Några olinjära effekter inkluderar:
Olinjär akustik är ett komplext område, och de fysiska fenomen som orsakar dessa effekter kan vara svåra att förstå. Men generellt, olinjära effekter kan kombineras för att göra ett intensivt ljud mycket kraftfullare än ett tystare. Det är på grund av dessa effekter som en vågs akustiska strålningstryck kan bli tillräckligt starkt för att balansera dragkraften. Intensivt ljud är centralt för akustisk levitation - givarna i många levitatorer producerar ljud över 150 decibel (dB). Vanligt samtal är cirka 60 dB, och en högljudd nattklubb är närmare 110 dB.
Att sväva föremål med ljud är inte riktigt så enkelt som att rikta en kraftfull givare mot en reflektor. Forskare måste också använda ljud med rätt frekvens för att skapa önskad stående våg. Varje frekvens kan ge olinjära effekter vid rätt volym, men de flesta system använder ultraljudsvågor, som är för höga för att människor ska höra. Förutom frekvensen och volymen för vågen, forskare måste också uppmärksamma ett antal andra faktorer:
Det kan låta som mycket arbete som krävs för att hänga upp små föremål några centimeter från en yta. Att sväva små föremål - eller till och med små djur - en kort sträcka kan också låta som en relativt värdelös praxis. Dock, akustisk levitation har flera användningsområden, både på marken och i yttre rymden. Här är några:
Forskare fortsätter att utveckla nya inställningar för levitationssystem och nya applikationer för akustisk levitation. För att lära dig mer om deras forskning, ljud och relaterade ämnen, kolla in länkarna på nästa sida.
Andra Levitator -inställningarÄven om en levitator med en givare och en reflektor kan hänga upp objekt, vissa inställningar kan öka stabiliteten eller tillåta rörelse. Till exempel, vissa levitatorer har tre par omvandlare och reflektorer, som är placerade längs X, Y- och Z -axlar. Andra har en stor sändare och en liten, rörlig reflektor; det upphängda föremålet rör sig när reflektorn rör sig.
