يمثل الارتفاع الصوتي تقنية لتعليق المواد في وسط جوي، مما يقاوم قوى الجاذبية من خلال تطبيق ضغط الإشعاع الصوتي الناتج عن موجات صوتية عالية الكثافة.
وتعمل هذه الظاهرة وفقًا لمبادئ مشابهة لتلك المستخدمة بواسطة الملقط الصوتي، حيث تستفيد من قوى الإشعاع الصوتي. ومع ذلك، تعمل الملقطات الصوتية عادةً كأدوات صغيرة الحجم داخل بيئة سائلة، حيث تكون تأثيرات الجاذبية أقل وضوحًا، بينما يهدف التحليق الصوتي بشكل أساسي إلى مواجهة الجاذبية. من وجهة نظر فنية، يمكن تصنيف الارتفاع الصوتي الديناميكي كشكل من أشكال الرحلان الصوتي، على الرغم من أن هذا التصنيف يرتبط بشكل متكرر بملاقط صوتية مصغرة.
يستخدم الارتفاع الصوتي عادةً ترددات فوق صوتية، مما يجعل الصوت الناتج غير مسموع للإدراك البشري. هذه الممارسة ضرورية في المقام الأول بسبب شدة الصوت الكبيرة المطلوبة للتغلب على قوة الجاذبية. على الرغم من ذلك، فقد تم توثيق حالات استخدام الترددات المسموعة.
على الرغم من وجود منهجيات متعددة لتوليد الصوت، إلا أن النهج السائد يتضمن استخدام محولات الطاقة الكهرضغطية، القادرة على إنتاج مخرجات عالية السعة بكفاءة عند ترددات محددة.
يقدم الارتفاع تقنية واعدة لمعالجة الرقائق الدقيقة وغيرها من المكونات الصغيرة والهشة بدون حاويات داخل البيئات الصناعية. تجد المعالجة بدون حاويات أيضًا فائدة في التطبيقات التي تتطلب مواد عالية النقاء بشكل استثنائي أو تسهيل التفاعلات الكيميائية شديدة العدوانية بالنسبة للاحتواء التقليدي. على الرغم من أن هذه الطريقة تطرح تحديات تحكم أكبر مقارنة بالبدائل مثل التحليق الكهرومغناطيسي، إلا أنها تقدم فائدة مميزة تتمثل في تمكين رفع المواد غير الموصلة.
في البداية، تطور التحليق الصوتي من التعليق الثابت ليشمل المعالجة الديناميكية للأجسام الحائمة، وهي قدرة أثبتت قيمتها في قطاعي الأدوية والإلكترونيات. تضمن الإدراك الأولي لهذا التحكم الديناميكي نموذجًا أوليًا يتميز بترتيب يشبه رقعة الشطرنج للبواعث الصوتية المربعة. سهّل هذا النظام حركة الجسم بين المربعات عن طريق تقليل شدة الصوت تدريجيًا من أحد الباعثات مع زيادتها في نفس الوقت من باعث مجاور، وبالتالي تمكين "النسب" الافتراضي للكائن. أتاحت التطورات اللاحقة، لا سيما تطوير لوحات محولات الطاقة ذات المصفوفة المرحلية، تحكمًا ديناميكيًا أكثر تنوعًا في العديد من الجسيمات والقطرات في وقت واحد.
كما أدى التقدم التكنولوجي الحديث أيضًا إلى انخفاض كبير في التكلفة المرتبطة بهذه التكنولوجيا. يجسد "TinyLev" هذا الاتجاه، حيث يمثل رافعة صوتية يمكن تجميعها باستخدام مكونات جاهزة وغير مكلفة ومتوفرة بسهولة وإطار فريد مطبوع ثلاثي الأبعاد.
التاريخ
التطوير التجريبي
تم العرض الأولي لجدوى التحليق الصوتي خلال تجارب أنبوب كوندت في عام 1866. وقد أوضح هذا الإعداد التجريبي، الذي تم إجراؤه داخل غرفة رنين، أنه يمكن تجميع الجسيمات عند عقد موجة واقفة من خلال عمل قوى الإشعاع الصوتي. ومع ذلك، كان الهدف الأساسي للتجربة الأصلية هو تحديد الأطوال الموجية، وبالتالي سرعة الصوت في وسط غازي.
تم توضيح المثال الأول للارتفاع بواسطة باكس ومولر في عام 1933، اللذين نجحا في تعليق قطرات الكحول بين بلورة الكوارتز والعاكس. تم تحقيق التقدم اللاحق بواسطة هيلاري سانت كلير، الذي ينبع اهتمامه بقوى الإشعاع الصوتي في المقام الأول من تطبيقها المحتمل في تكتل جزيئات الغبار لعمليات التعدين. طور سانت كلير أول جهاز كهرومغناطيسي قادر على توليد سعات الإثارة المطلوبة للارتفاع، وبالتالي تحقيق تعليق الأجسام الأكبر والأثقل، مثل العملة المعدنية.
قاد تايلور وانغ فريقًا بحثيًا استخدم على نطاق واسع قوى الإشعاع الصوتي كاستراتيجية احتواء في البيئات الخالية من الجاذبية. نشر هذا الفريق جهازًا متخصصًا على متن مهمة مكوك الفضاء تشالنجر STS-51-B لفحص سلوك القطرات المرفوعة في ظل ظروف الجاذبية الصغرى. تم إجراء تجارب إضافية لاحقًا في عام 1992 على مختبر الجاذبية الصغرى بالولايات المتحدة 1 (USML-1) وفي عام 1995 على USML-2.
منذ سبعينيات القرن العشرين حتى عام 2017، كان قرن لانجفان، الذي يتكون من مشغل كهرضغطية، وجهاز إرسال معدني، وعاكس، يمثل جهاز الارتفاع الصوتي السائد. ومع ذلك، استلزم هذا التصميم معايرة دقيقة للمسافة بين جهاز الإرسال والعاكس، حيث يجب أن يتوافق هذا الفصل مع مضاعف دقيق لطول موجة الصوت. أثبتت هذه المعايرة أنها صعبة لأن الطول الموجي يتقلب مع سرعة الصوت، والتي تتأثر في حد ذاتها بالمتغيرات البيئية مثل درجة الحرارة والارتفاع. سهلت هذه الأجهزة إجراء أبحاث جوهرية، بما في ذلك التحقيقات في الكيمياء اللاتلامسية ورفع العينات البيولوجية الصغيرة. علاوة على ذلك، تم دمج أبواق لانجفين المتعددة لتحقيق حركة مستوية مستمرة عن طريق تعديل شدة الصوت: تقليلها من مصدر واحد وزيادتها من مصدر مجاور، وبالتالي تمكين الجزيئات من اجتياز "أسفل التل" داخل مجال الصوت المحتمل.
في الآونة الأخيرة، اكتسب جيل جديد من الرافعات الصوتية أهمية كبيرة، والتي تتميز باستخدام العديد من محولات الطاقة الكهرضغطية الفردية الصغيرة. كان الجهاز الافتتاحي في هذه الفئة هو "TinyLev"، وهو جهاز رفع أحادي المحور ومتعدد الباعثات تم تطويره في عام 2017 بواسطة Asier Marzo وAdrian Barnes وBruce Drinkwater في جامعة بريستول. تضمنت الاختلافات الرئيسية عن Langevin Horn نشر مصادر الصوت من الأعلى والأسفل (بدلاً من مصدر واحد وعاكس) ودمج العديد من محولات الطاقة الصغيرة مع الإثارة المتوازية، بدلاً من عنصر كهرضغطية منفرد. هذا التكوين، الذي يستخدم موجتين متعارضتين بدلًا من مصدر واحد وعاكس، سمح بارتفاع مستقر حتى عندما لا يتوافق الفصل العمودي بدقة مع مضاعف الطول الموجي. في حين تم تصوره في البداية كاستراتيجية لخفض التكلفة، فإن اعتماد مصادر صغيرة متعددة سهّل أيضًا تطوير المصفوفة المرحلية. علاوة على ذلك، أدى دمج المكونات المطبوعة ثلاثية الأبعاد لتحديد موضع محول الطاقة وإطار التركيز، جنبًا إلى جنب مع Arduinos لتوليد الإشارة، إلى خفض التكاليف بشكل كبير وتعزيز إمكانية الوصول. كان هذا التخفيض في التكلفة أمرًا بالغ الأهمية، حيث يتماشى مع الهدف الأساسي للجهاز المتمثل في إضفاء الطابع الديمقراطي على التكنولوجيا.
كما حفزت هذه المنهجية المبتكرة أيضًا تطورات كبيرة في تقنيات الرفع التي تستخدم محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية ذات المصفوفة المرحلية (المعروفة اختصارًا باسم PATs). تشتمل PATs على مجموعة من مكبرات الصوت بالموجات فوق الصوتية التي يتم التحكم فيها بدقة لإنشاء مجال صوتي محدد وموحد. يتم تحقيق هذا التحكم عن طريق معالجة الطور النسبي (أو وقت التأخير) بين المخرجات الفردية، وأحيانًا عن طريق ضبط أحجامها النسبية. وعلى النقيض من المصفوفات المستخدمة في الاختبارات غير المدمرة أو تطبيقات التصوير، تعمل مصفوفات الرفع هذه بمخرجات مستمرة بدلاً من رشقات طاقة منفصلة. وقد مكنت هذه العملية المستمرة من التحليق من جانب واحد والتلاعب المتزامن بالعديد من الجسيمات.
تتضمن الطريقة السائدة بشكل متزايد استخدام مكونات مطبوعة ثلاثية الأبعاد لإدخال تأخيرات الطور المطلوبة للرفع، وبالتالي تحقيق تأثير مماثل لـ PATs. يوفر هذا النهج ميزة الدقة المكانية الفائقة مقارنةً بالمصفوفات المرحلية، مما يتيح تكوين مجالات صوتية أكثر تعقيدًا. يُطلق على هذه المكونات أسماء مختلفة تسمى الهولوغرامات الصوتية، أو الأسطح الوصفية، أو خطوط التأخير، أو المواد الخارقة. في حين أن اختلافات المصطلحات تنبع إلى حد كبير من نظام التصميم الأصلي، فإن المبدأ الأساسي الذي تقوم عليه كل هذه التقنيات يظل ثابتًا. يمكن أيضًا دمج هذه المكونات مع PATs لتحقيق إعادة التشكيل الديناميكي وتحسين دقة مجال الصوت. وهناك فائدة أخرى وهي فعاليتها من حيث التكلفة، والتي تجسدت في تطوير شعاع جرار بالموجات فوق الصوتية منخفض التكلفة، والذي تم نشر أدلة إرشادية له.
على الرغم من ظهور العديد من تقنيات التلاعب الجديدة، لا يزال يتم استخدام Langevin Horns في البحث العلمي. وينبع تفضيلهم في الدراسات المتعلقة بديناميكيات الأجسام المرفوعة من بساطتها الهندسية، مما يسهل كلاً من المحاكاة والتحكم الدقيق في المعلمات التجريبية.
نظري
ركزت أعمال اللورد رايلي في أوائل القرن العشرين بشكل أساسي على القوى النظرية والطاقة الكامنة في الموجات الصوتية. تم إجراء التحليل الأولي للجزيئات في المجال الصوتي بواسطة L.V. كينغ في عام 1934، الذي قام بحساب القوة المؤثرة على الجسيمات غير القابلة للضغط. بعد ذلك، قام يوسيوكا وكويساما بتوسيع هذا البحث من خلال حساب القوى المؤثرة على الجسيمات القابلة للضغط داخل الموجات الصوتية المستوية. بلغ هذا التقدم ذروته في تعميم ليف بي. جوركوف للمجال على إمكانات جوركوف، والتي تظل الأساس الرياضي الأساسي للارتفاع الصوتي اليوم.
إن إمكانات جوركوف مقيدة بافتراضاتها الأساسية، والتي تنطبق بشكل خاص على المجالات ذات نصف القطر الأصغر بكثير من الطول الموجي، والذي يقتصر عادةً على عُشر الطول الموجي. في حين توجد حلول تحليلية إضافية للأشكال الهندسية البسيطة، فإن توسيع نطاق التحليل ليشمل الأجسام الأكبر أو غير الكروية يستلزم عادة تطبيق الطرق العددية، وخاصة طريقة العناصر المحدودة أو طريقة العناصر الحدودية. علاوة على ذلك، يمكن إدارة الضغط الإشعاعي للصوت بدقة من خلال نمط الطول الموجي الفرعي لسطح الجسم.
أنواع الرفع
يمكن تصنيف الارتفاع الصوتي على نطاق واسع إلى خمسة أنواع متميزة:
- رفع الموجة الدائمة: تقوم هذه التقنية باحتجاز الجسيمات عند عقد الموجة الدائمة، والتي يتم إنشاؤها إما عن طريق مصدر صوت مقترن بعاكس (كما في Langevin Horn) أو عن طريق مجموعتين مستقلتين من المصادر (كما في TinyLev). تعتمد فعاليتها على كون الجزيئات صغيرة بالنسبة للطول الموجي، عادة 10% أو أقل، مع الحد الأقصى للوزن المرفوع بشكل عام في نطاق الملليجرام. والجدير بالذكر أنه إذا كان الجسيم صغيرًا جدًا مقارنة بالطول الموجي، فإن سلوكه يتغير، مما يؤدي إلى هجرته إلى العقد المضادة. عادة ما تكون هذه الرافعات ذات محور واحد، حيث تحصر جميع الجسيمات على طول محور مركزي؛ ومع ذلك، فإن تكامل محولات الصفيف المرحلي (PATs) يتيح المعالجة الديناميكية. تمثل هذه الطريقة أقوى تقنية للارتفاع على مسافات تتجاوز الطول الموجي، وذلك بسبب التداخل البناء الناتج عن الموجتين المتنقلتين المكونتين. إن القوى الناتجة عن رفع شعاع واحد على مسافة أضعف بحوالي 30 مرة من تلك الناتجة عن موجة واقفة بسيطة.
- الإرتفاع الصوتي للمجال البعيد: تسهل هذه الطريقة رفع الأجسام الأكبر من الطول الموجي الصوتي عن طريق إنشاء مجال مخصص يطابق الحجم والشكل المحددين للكائن. تسمح هذه القدرة برفع مثل هذه الأجسام على مسافات أكبر من الطول الموجي من المصدر، بشرط ألا يكون الجسم ذا كثافة عالية. تضمنت التطبيقات المبكرة موجة ثابتة عمودية بسيطة للأجسام على شكل قرص أو تكوين ثلاثي محولات الطاقة لتحقيق الاستقرار في المجالات. ومع ذلك، تستخدم التطورات الحديثة محولات الطاقة المصفوفة المرحلية (PATs) وطريقة العنصر الحدودي لرفع الأجسام الأكبر حجمًا بشكل ملحوظ عبر مسافات طويلة. أثقل جسم تم رفعه بنجاح بهذه التقنية هو كرة من البوليسترين الممدد بقطر 30 ملم ووزن 0.6 جرام. أكبر جسم يتم رفعه صوتيًا باستخدام PATs الموضوعة أعلى وأسفل الجسم هو مجسم ثماني السطوح من البوليسترين الموسع بطول قطري 50 ملم وكتلته 0.5 جرام.
- رفع شعاع واحد: تتضمن هذه التقنية رفع الأجسام على مسافات أكبر من طول موجي واحد من المصادر، مع تقييد الوصول إلى جانب واحد. يجب أن يكون تصميم المصيدة متخصصًا، ويظهر عادةً كمصيدة مزدوجة أو مصيدة دوامة، على الرغم من أن مصيدة الزجاجة تعد أيضًا خيارًا قابلاً للتطبيق. المصيدة المزدوجة، كونها الأبسط، تخلق "ملقطين" عاليي الضغط على جانبي الجسيم المتقابلين. عند استخدام التركيز الهندسي، يمكن لهذا التكوين تشكيل شعاع جرار باستخدام مكونات متاحة بسهولة. وعلى العكس من ذلك، فإن مصيدة الدوامة تولد "ثقبًا" مركزيًا للضغط المنخفض. على الرغم من أنها تتطلب مجال طور أكثر تعقيدًا، إلا أن مصيدة الدوامة، على عكس المصيدة المزدوجة، يمكنها رفع كائنات أكبر من الطول الموجي. وفي عام 2019، حقق الباحثون في جامعة بريستول رفع أكبر جسم بواسطة عارضة جرارة، وهي كرة من البوليسترين الممدد بقطر 19.53 ملم. ظهر هذا الإنجاز في برنامج "The Edge of Science"، وهو من إنتاج قناة BBC Earth لصالح YouTube Originals ويقدمه ريك إدواردز.
- الارتفاع الميداني القريب: تتضمن هذه الطريقة وضع جسم كبير ومستو على مقربة من سطح محول الطاقة، حيث يعمل كعاكس، مما يتيح التحليق على طبقة هواء رقيقة للغاية. ورغم أن هذه التقنية قادرة على تحمل عدة كيلوغرامات، إلا أنها تقتصر على ارتفاعات لا تتجاوز مئات الميكرومترات فوق السطح. وبالتالي، من وجهة نظر إنسانية، فإنه يتجلى في انخفاض كبير في الاحتكاك أكثر من كونه ارتفاعًا حقيقيًا.
- الإرتفاع الصوتي المقلوب للمجال القريب: في ظل ظروف محددة، تنعكس القوة الطاردة المسؤولة عن الارتفاع للمجال القريب، وتتحول إلى قوة جاذبة. في مثل هذه الحالات، يمكن توجيه محول الطاقة إلى الأسفل، مما يسهل رفع الجسم تحته. تم بنجاح رفع الأجسام التي يبلغ وزنها على مقياس المليجرام إلى مسافات تصل إلى عشرات الميكرومترات. وتشير الأبحاث الحالية إلى أن هذه الظاهرة تحدث عندما يكون نصف القطر المكافئ للقرص أقل من 38% من الطول الموجي.
تمثل هذه التصنيفات الواسعة طريقة واحدة لتصنيف أنواع الارتفاع، ولكنها ليست شاملة. تستكشف الأبحاث الجارية تكامل التقنيات المختلفة لتحقيق قدرات معززة، مثل الارتفاع المستقر للأجسام غير المتماثلة المحورية من خلال الجمع بين الارتفاع الموجي الثابت ونظام المصيدة المزدوجة (عادةً طريقة الارتفاع أحادية الشعاع). علاوة على ذلك، تُكرس جهود كبيرة لدمج هذه التقنيات مع مكونات تحويل الطور المطبوعة ثلاثية الأبعاد للحصول على فوائد مثل تشكيل المجال السلبي أو الدقة المكانية الفائقة. تظهر تقنيات التحكم أيضًا تنوعًا كبيرًا؛ في حين أن محولات الطاقة ذات المصفوفة المرحلية (PATs) منتشرة، فقد تم أيضًا إثبات أن ألواح كلدني هي مصادر موجية مفردة فعالة لمعالجة الأجسام المرفوعة عن طريق تغيير ترددها.
التطبيقات
يجد الارتفاع الصوتي تطبيقاته في المقام الأول ضمن البحث العلمي والعمليات الصناعية.
يوفر الارتفاع الصوتي بيئة خالية من الحاويات لتجارب تجفيف القطرات، مما يسهل دراسة تبخر السائل وتكوين الجسيمات. وقد حظي التلاعب بالقطرات دون تلامس باهتمام كبير نظرًا لإمكاناته في مجال الكيمياء على نطاق صغير وخالي من الحاويات. على وجه التحديد، يحرص الباحثون على خلط قطرات متعددة باستخدام محولات الطاقة ذات المصفوفة المرحلية (PATs) لدراسة التفاعلات الكيميائية بمعزل عن الحاويات التقليدية. بالإضافة إلى ذلك، هناك اهتمام كبير باستخدام القطيرات الصغيرة المرفوعة كأوعية لبلورات البروتين في تجارب حيود الأشعة السينية، بهدف تحديد الهياكل البلورية بدقة ذرية، وفي درجة حرارة الغرفة، وبإنتاجية عالية.
لقد استكشفت الأبحاث أيضًا ارتفاع الحيوانات الحية الصغيرة، مما يدل على عدم وجود آثار سلبية على حيوية الأنواع الموجودة عادة في الهواء. تحمل هذه التقنية إمكانات كأداة مستقبلية للدراسة المباشرة على الحيوانات.
تجري حاليًا أبحاث نشطة في مجال التجميع غير التلامسي. تشمل العروض التوضيحية رفع المكونات الكهربائية المثبتة على السطح والتجميع الدقيق الذي يتم تحقيقه من خلال مزيج من المجالات الصوتية والمغناطيسية. علاوة على ذلك، يوجد اهتمام تجاري بالطباعة ثلاثية الأبعاد أثناء رفع الأشياء، وهو ما يتجلى في تسجيل براءة اختراع شركة Boeing لهذا المفهوم.
تم اقتراح الارتفاع الصوتي أيضًا كوسيلة لتطوير شاشات العرض الحجمية، حيث يتم تسليط الضوء على جسيم يجتاز مسارًا لتوليد صورة بسرعة غير محسوسة للعين البشرية. لقد تم بالفعل إثبات هذه الإمكانية ودمجها مع ردود الفعل الصوتية واللمسية الصادرة عن نفس محول طاقة المصفوفة المرحلية (PAT).
الملقط الصوتي
- ملقط صوتي
- الإرتفاع البصري
- ضغط الإشعاع
- الارتفاع الكهروستاتيكي
- الإرتفاع المغناطيسي
- الارتفاع الديناميكي الهوائي
- الطفو
المراجع
العلوم الحية – بحث حول رفع الحيوانات الصغيرة
- العلوم الحية – العلماء يرفعون الحيوانات الصغيرة في الهواء
- فيديو فتاة الفيزياء - عرض توضيحي لبناء رافعة صوتية ورفع سائلة