جلوگیری صوتی نشاندهنده تکنیکی برای معلق کردن مواد در یک محیط هوایی، مقابله با نیروهای گرانشی از طریق اعمال فشار تشعشع صوتی تولید شده توسط امواج صوتی با شدت بالا است.
این پدیده بر اساس اصولی مشابه با مواردی که توسط موچینهای صوتی به کار میرود، عمل میکند و از نیروهای تابشی استفاده میکند. با این وجود، موچین های صوتی معمولاً به عنوان ابزارهای مقیاس کوچک در یک محیط سیال عمل می کنند، جایی که اثرات گرانشی کمتر مشخص می شود، در حالی که معلق شدن صوتی اساساً با هدف مقابله با گرانش است. از نقطه نظر فنی، شناور آکوستیک پویا را می توان به عنوان شکلی از آکوستوفورزیس طبقه بندی کرد، اگرچه این نامگذاری اغلب با موچین های آکوستیک مینیاتوری مرتبط است.
جلوگیری صوتی معمولاً از فرکانس های اولتراسونیک استفاده می کند و صدای تولید شده را برای انسان غیرقابل شنیدن می کند. این تمرین در درجه اول به دلیل شدت صوت قابل توجه مورد نیاز برای غلبه بر کشش گرانشی ضروری است. با وجود این، نمونههایی از فرکانسهای شنیداری مورد استفاده مستند شدهاند.
در حالی که روشهای متعددی برای تولید صدا وجود دارد، رویکرد غالب شامل استفاده از مبدلهای پیزوالکتریک است که قادر به تولید خروجیهای با دامنه بالا در فرکانسهای مشخص شده هستند. و سایر اجزای کوچک و شکننده در محیط های صنعتی. پردازش بدون ظروف همچنین در کاربردهایی که نیاز به مواد با خلوص فوقالعاده بالا یا تسهیل واکنشهای شیمیایی بسیار تهاجمی برای مهار معمولی دارند، مفید است. اگرچه این روش چالشهای کنترلی بیشتری را در مقایسه با جایگزینهایی مانند شناور الکترومغناطیسی ایجاد میکند، اما مزیت مشخصی را از فعال کردن معلق کردن مواد غیر رسانا ارائه میکند.
در ابتدا، شناور آکوستیک استاتیک از حالت تعلیق ثابت تکامل یافته است تا دستکاری دینامیکی اجسام معلق در هوا را در بر بگیرد، و قابلیتهای ارزشمندی را در بخش دارویی ارائه میدهد. تحقق اولیه این کنترل پویا شامل یک نمونه اولیه بود که دارای آرایش صفحه شطرنج مانند ساطع کننده های صوتی مربعی بود. این سیستم با کاهش تدریجی شدت صدا از یک ساطع کننده در حالی که همزمان آن را از یک ساطع کننده مجاور افزایش می داد، حرکت جسم بین مربع ها را تسهیل می کرد و در نتیجه امکان "نزول" مجازی جسم را فراهم می کرد. پیشرفتهای بعدی، بهویژه توسعه تختههای مبدل آرایهای فازی، کنترل دینامیکی همهکارهتری را روی ذرات و قطرات متعدد به طور همزمان امکانپذیر کرده است.
پیشرفتهای فناوری اخیر همچنین منجر به کاهش قابل توجه هزینههای مرتبط با این فناوری شده است. «TinyLev» نمونهای از این روند است، که نشاندهنده یک بالابر صوتی است که میتوان آن را با استفاده از اجزای ارزانقیمت در دسترس و ارزان قیمت و یک قاب پرینت سهبعدی مونتاژ کرد.
تاریخچه
توسعه تجربی
نمایش اولیه امکانپذیری شناورهای صوتی در طول آزمایشهای لوله کوندت در سال 1866 رخ داد. این تنظیم آزمایشی، که در یک محفظه تشدید انجام شد، نشان داد که ذرات میتوانند در گرههای یک موج ایستاده از طریق عمل نیروهای تابش صوتی جمع شوند. با این وجود، هدف اولیه آزمایش اولیه تعیین طول موج و در نتیجه سرعت صوت در یک محیط گازی بود.
نمونه آغازین شناور توسط باکس و مولر در سال 1933 نشان داده شد که با موفقیت قطرات الکل را بین یک کریستال کوارتز و یک کریستال کوارتز معلق کردند. پیشرفت های بعدی توسط هیلاری سنت کلر حاصل شد، که علاقه او به نیروهای تشعشع صوتی عمدتاً از کاربرد بالقوه آنها در تجمع ذرات غبار برای عملیات معدن نشات می گرفت. سنت کلر اولین دستگاه الکترومغناطیسی را توسعه داد که قادر به ایجاد دامنه های تحریک لازم برای معلق شدن است و متعاقباً به تعلیق اجسام بزرگتر و سنگین تر مانند یک سکه دست می یابد.
تیلور وانگ رهبری یک تیم تحقیقاتی را برعهده داشت که به طور گسترده از نیروهای تشعشع صوتی به عنوان یک استراتژی مهار در محیطهای با جاذبه صفر استفاده کردند. این تیم یک دستگاه تخصصی را در ماموریت STS-51-B شاتل فضایی چلنجر برای بررسی رفتار قطرات معلق تحت شرایط ریز گرانشی مستقر کرد. آزمايشهاي ديگري متعاقباً در سال 1992 بر روي آزمايشگاه ميكروگرانش ايالات متحده 1 (USML-1) و در سال 1995 روي USML-2 انجام شد.
از دهه 1970 تا 2017، شاخ لانگوین، متشکل از یک محرک پیزوالکتریک، یک فرستنده فلزی، و یک بازتابنده، نشان دهنده دستگاه شناور صوتی غالب بود. با این حال، این طراحی نیاز به کالیبراسیون دقیق فاصله بین فرستنده و بازتابنده داشت، زیرا این جداسازی باید با مضربی دقیق از طول موج صدا مطابقت داشته باشد. چنین کالیبراسیونی چالش برانگیز بود زیرا طول موج با سرعت صوت در نوسان است که خود تحت تأثیر متغیرهای محیطی مانند دما و ارتفاع قرار دارد. این دستگاهها تحقیقات قابلتوجهی را تسهیل کردند، از جمله تحقیقات در مورد شیمی بدون تماس و شناور کردن نمونههای کوچک بیولوژیکی. علاوه بر این، چندین شاخ لانگوین برای دستیابی به حرکت مسطح پیوسته با تعدیل شدت صدا ادغام شدند: کاهش آن از یک منبع در حالی که آن را از منبع مجاور افزایش میدهد، در نتیجه ذرات را قادر میسازد تا از "سرازیری" در میدان پتانسیل آکوستیک عبور کنند.
به تازگی، نسل جدیدی از بالابرهای صوتی، که با استفاده از مبدل های پیزوالکتریک کوچک و منفرد متعدد مشخص می شود، شهرت یافته است. دستگاه افتتاحیه در این دسته، "TinyLev" بود، یک لویتاتور تک محوری و چند ساطع کننده که در سال 2017 توسط Asier Marzo، Adrian Barnes و Bruce Drinkwater در دانشگاه بریستول توسعه یافت. تمایزات کلیدی از شاخ لانگوین شامل استقرار منابع صوتی از بالا و پایین (به جای یک منبع واحد و یک بازتابنده) و ادغام مبدلهای کوچک متعدد با تحریک موازی، برخلاف عنصر پیزوالکتریک منفرد بود. این پیکربندی، با استفاده از دو موج متقابل متقابل به جای یک منبع واحد و یک بازتابنده، امکان شناور شدن پایدار را حتی زمانی که جداسازی عمودی دقیقاً با مضربی از طول موج مطابقت نداشت، فراهم کرد. در حالی که در ابتدا به عنوان یک استراتژی کاهش هزینه در نظر گرفته شد، اتخاذ چندین منبع کوچک نیز توسعه معلق آرایه فازی را تسهیل کرد. علاوه بر این، ادغام اجزای پرینت سه بعدی برای مکان یابی و فریم فوکوس مبدل، در کنار آردوینو برای تولید سیگنال، هزینه ها را به میزان قابل توجهی کاهش داد و دسترسی را افزایش داد. این کاهش هزینه بسیار مهم بود و با هدف اصلی دستگاه یعنی دموکراتیک کردن فناوری همسو بود.
این روش نوآورانه همچنین باعث پیشرفتهای اساسی در تکنیکهای شناور با استفاده از مبدلهای التراسونیک آرایه فازی (معمولاً به اختصار PAT) شد. PAT ها مجموعه ای از بلندگوهای اولتراسونیک را تشکیل می دهند که دقیقاً برای تولید یک میدان صوتی خاص و یکپارچه کنترل می شوند. این کنترل با دستکاری فاز نسبی (یا زمان تاخیر) بین خروجیهای منفرد، و گاهی اوقات با تنظیم مقادیر نسبی آنها انجام میشود. برخلاف آرایههایی که در آزمایشهای غیر مخرب یا برنامههای تصویربرداری استفاده میشوند، این آرایههای شناور با خروجی پیوسته به جای انفجارهای انرژی گسسته عمل میکنند. این عملیات پیوسته هم شناور شدن یک طرفه و هم دستکاری همزمان ذرات متعدد را امکان پذیر کرده است.
یک روش رایج شامل استفاده از اجزای چاپ سه بعدی برای معرفی تأخیرهای فاز لازم برای معلق شدن، در نتیجه دستیابی به اثری مشابه با PAT است. این رویکرد مزیت وضوح فضایی برتر را در مقایسه با آرایههای مرحلهای ارائه میدهد که امکان تشکیل میدانهای صوتی پیچیدهتر را فراهم میکند. به این مولفهها هولوگرامهای آکوستیک، متاسرفیس، خطوط تاخیری یا متامتریال میگویند. در حالی که تغییرات اصطلاحات عمدتاً از رشته طراحی منشاء میگیرد، اصل اساسی زیربنای همه این تکنیکها ثابت است. این اجزا همچنین می توانند با PAT ها ادغام شوند تا به پیکربندی مجدد پویا و وضوح میدان صوتی بهبود یافته دست یابند. مزیت دیگر مقرون به صرفه بودن آنها است که نمونه آن توسعه یک تیر تراکتور اولتراسونیک کم هزینه است که راهنماهای آموزشی برای آن منتشر شده است.
علیرغم ظهور تکنیک های دستکاری جدید متعدد، شاخ لانگوین همچنان در تحقیقات علمی به کار می رود. ترجیح آنها در مطالعات مربوط به دینامیک اجسام معلق ناشی از سادگی هندسی آنها است که هم شبیه سازی و هم کنترل دقیق بر پارامترهای تجربی را تسهیل می کند.
نظری
کار لرد ریلی در اوایل قرن بیستم عمدتاً بر نیروهای نظری و انرژی ذاتی امواج صوتی متمرکز بود. تجزیه و تحلیل اولیه ذرات در یک میدان صوتی توسط L.V. کینگ در سال 1934، نیرویی را که بر ذرات تراکم ناپذیر اعمال می شود محاسبه کرد. متعاقبا، یوسیکا و کاویساما این تحقیق را با محاسبه نیروهای وارد بر ذرات تراکم پذیر در امواج صوتی سطحی گسترش دادند. این پیشرفت در تعمیم میدان توسط Lev P. Gor'kov به پتانسیل Gor'kov به اوج رسید، که امروزه پایه ریاضی اساسی برای شناور صوتی باقی مانده است.
پتانسیل گورکوف توسط مفروضات زیربنایی آن محدود شده است، که به طور خاص برای کره هایی با شعاع بسیار کوچکتر از طول موج محدود یک طول موج معمولی اعمال می شود. در حالی که راهحلهای تحلیلی اضافی برای هندسههای ساده وجود دارد، گسترش آنالیز به اجسام بزرگتر یا غیرکروی معمولاً به کاربرد روشهای عددی، بهویژه روش اجزای محدود یا روش المان مرزی نیاز دارد. علاوه بر این، فشار تشعشع صوت را می توان به طور دقیق از طریق الگوبرداری زیر طول موج سطح یک جسم مدیریت کرد.
انواع Levitation
شناورهای صوتی را می توان به طور کلی به پنج نوع مجزا طبقه بندی کرد:
- لویتاسیون موج ایستاده: این تکنیک ذرات را در گره های یک موج ایستاده به دام می اندازد، که یا توسط یک منبع صوتی جفت شده با یک بازتابنده (مانند شاخ لانگوین) یا توسط دو مجموعه مستقل از منابع (مانند TinyLev) تولید می شود. کارایی آن متکی به کوچک بودن ذرات نسبت به طول موج، معمولاً 10٪ یا کمتر، با حداکثر وزن معلق معمولاً در محدوده میلی گرم است. قابل ذکر است، اگر یک ذره در مقایسه با طول موج بیش از حد کوچک باشد، رفتار آن تغییر می کند و باعث مهاجرت آن به ضد گره ها می شود. این شناورها معمولاً تک محوره هستند و تمام ذرات را در امتداد یک محور مرکزی محدود می کنند. با این حال، ادغام مبدلهای آرایه فازی (PATs) دستکاری پویا را ممکن میسازد. این روش به دلیل تداخل سازنده ای که توسط دو موج متحرک تشکیل دهنده ایجاد می شود، قوی ترین تکنیک را برای معلق شدن در فواصل بیش از یک طول موج نشان می دهد. نیروهای ایجاد شده توسط شناور تک پرتو در فاصله تقریباً 30 برابر ضعیف تر از نیروهای ناشی از یک موج ایستاده ساده هستند.
- معروف شدن آکوستیک میدان دور: این روش با ایجاد یک میدان مناسب که با اندازه و شکل خاص جسم مطابقت دارد، حرکت اجسام بزرگتر از طول موج صوتی را تسهیل میکند. این قابلیت امکان معلق شدن چنین اجسامی را در فواصل بیشتر از طول موج از منبع فراهم می کند، مشروط بر اینکه جسم از چگالی بالایی برخوردار نباشد. پیاده سازی های اولیه شامل یک موج ایستاده عمودی ساده برای اجسام دیسکی شکل یا یک پیکربندی سه مبدل برای تثبیت کره ها بود. با این حال، پیشرفتهای اخیر، از مبدلهای آرایه فازی (PAT) و روش المان مرزی برای معلق کردن اجسام بزرگتر در فواصل طولانی استفاده میکنند. سنگین ترین جسمی که با این روش با موفقیت بلند شد، یک کره پلی استایرن منبسط شده با قطر 30 میلی متر با وزن 0.6 گرم است. بزرگترین جسمی که از نظر صوتی با استفاده از PATهای قرار گرفته در بالا و پایین جسم معلق شده است، یک هشت وجهی پلی استایرن منبسط شده با طول مورب 50 میلی متر و جرم 0.5 گرم است.
- Single Beam Levitation: این تکنیک شامل معلق کردن اجسام در فواصل بیشتر از یک طول موج منفرد از منابع است، با دسترسی محدود به یک طرف. طراحی تله باید تخصصی باشد و معمولاً به صورت تله دوقلو یا تله گردابی ظاهر می شود، اگرچه تله بطری نیز گزینه مناسبی است. تله دوقلو که ساده ترین است، دو "موچین" پرفشار را در طرف مقابل ذره ایجاد می کند. هنگامی که از فوکوس هندسی استفاده می شود، این پیکربندی می تواند با استفاده از اجزای در دسترس، تیر تراکتور را تشکیل دهد. برعکس، تله گردابی یک "سوراخ" مرکزی با فشار کم ایجاد می کند. در حالی که به یک میدان فاز پیچیدهتر نیاز دارد، تله گرداب، برخلاف تله دوقلو، میتواند اجسام بزرگتر از طول موج را معلق کند. در سال 2019، محققان دانشگاه بریستول به معلق شدن بزرگترین جسم توسط یک پرتو تراکتور، یک توپ پلی استایرن منبسط شده به قطر 19.53 میلی متر دست یافتند. این دستاورد در "لبه علم"، محصول BBC Earth برای YouTube Originals ارائه شده توسط ریک ادواردز، نمایش داده شد.
- معروف شدن میدان نزدیک: این روش شامل قرار دادن یک جسم قابل توجه و مسطح در مجاورت یک سطح مبدل است، جایی که به عنوان یک بازتابنده عمل میکند و باعث میشود که روی یک لایه هوا بسیار نازک حرکت کند. این تکنیک در حالی که قادر به تحمل چندین کیلوگرم است، به ارتفاعات تنها صدها میکرومتر از سطح محدود می شود. در نتیجه، از دیدگاه انسان، بیشتر به صورت کاهش قابل توجه در اصطکاک ظاهر می شود تا به صورت شناور واقعی.
- جذب صوتی میدان نزدیک معکوس: تحت شرایط خاص، نیروی دافعه که مسئول شناور شدن میدان نزدیک است معکوس میشود و به نیرویی جذاب تبدیل میشود. در چنین مواردی، مبدل را میتوان به سمت پایین هدایت کرد و حرکت یک جسم در زیر آن را تسهیل میکند. اجسام با وزن در مقیاس میلی گرم با موفقیت در فواصل ده ها میکرومتر معلق شده اند. بررسیهای کنونی نشان میدهد که این پدیده زمانی رخ میدهد که شعاع معادل دیسک کمتر از 38 درصد طول موج باشد.
این طبقه بندی های گسترده یک روش را برای دسته بندی انواع شناور نشان می دهد، اما آنها جامع نیستند. تحقیقات در حال انجام ادغام تکنیکهای مختلف برای دستیابی به قابلیتهای افزایشیافته را بررسی میکند، مانند شناور شدن پایدار اجسام غیرمتقارن از طریق ترکیب شناور موج ایستاده با یک سیستم تله دوقلو (معمولاً یک روش شناور تک پرتو). علاوه بر این، تلاش های قابل توجهی برای ادغام این تکنیک ها با اجزای تغییر فاز چاپ شده با چاپ سه بعدی برای به دست آوردن مزایایی مانند تشکیل میدان غیرفعال یا وضوح فضایی برتر اختصاص داده شده است. تکنیک های کنترل نیز تنوع قابل توجهی را نشان می دهند. در حالی که مبدل های آرایه فازی (PAT) رایج هستند، صفحات Chladni نیز به عنوان منابع موج ایستاده تک موثر برای دستکاری اجسام معلق با تغییر فرکانس آنها نشان داده شده اند.
برنامه ها
شناور صوتی در درجه اول کاربردهای خود را در تحقیقات علمی و فرآیندهای صنعتی پیدا می کند.
شناور صوتی محیطی بدون ظروف برای آزمایشهای خشک کردن قطرات ارائه میدهد که مطالعه تبخیر مایع و تشکیل ذرات را تسهیل میکند. دستکاری بدون تماس قطرات نیز به دلیل پتانسیل آن برای شیمی در مقیاس کوچک و بدون ظروف، توجه قابل توجهی را به خود جلب کرده است. به طور خاص، محققان مشتاق مخلوط کردن چند قطره با استفاده از مبدلهای آرایه فازی (PATs) برای بررسی واکنشهای شیمیایی جدا از ظروف معمولی هستند. علاوه بر این، علاقه قابل توجهی به استفاده از قطرات معلق کوچک به عنوان مخزن برای کریستالهای پروتئین در آزمایشهای پراش پرتو ایکس، با هدف تعیین ساختارهای بلوری در تفکیک اتمی، در دمای اتاق و با توان بالا وجود دارد.
تحقیق همچنین شناور شدن حیوانات کوچک زنده را مورد بررسی قرار داده است، که هیچ گونه اثرات نامطلوبی را در گونههای هوا بر سرزندگی نشان نمیدهد. این تکنیک به عنوان یک ابزار آینده برای مطالعه مستقیم حیوانی پتانسیل دارد.
تحقیقات فعالی در حوزه مونتاژ بدون تماس در حال انجام است. تظاهرات شامل معلق شدن اجزای الکتریکی روی سطح و مونتاژ ریز است که از طریق ترکیبی از میدان های صوتی و مغناطیسی به دست می آید. علاوه بر این، در حالی که اشیاء معلق هستند، علاقه تجاری به چاپ سه بعدی وجود دارد که نمونه آن ثبت اختراع بوئینگ برای این مفهوم است.
شناور صوتی نیز به عنوان روشی برای توسعه نمایشگرهای حجمی پیشنهاد شده است، که در آن نور بر روی ذره ای که مسیری را طی می کند تا تصویری با سرعتی غیرقابل درک برای چشم انسان ایجاد کند، پخش می شود. این قابلیت قبلاً نشان داده شده است و با بازخورد صوتی و لمسی که از همان مبدل آرایه فازی (PAT) سرچشمه میگیرد، ادغام شده است.
موچین صوتی
- موچین های آکوستیک
- جلوگیری نوری
- فشار تشعشع
- جلوگیری الکترواستاتیک
- جلوگیری مغناطیسی
- لویتاسیون آیرودینامیکی
- شناوری
مراجع
Live Science – تحقیق در مورد شناور شدن حیوانات کوچک
- علم زنده - دانشمندان حیوانات کوچک را معلق می کنند
- فیلم دختر فیزیک - ساخت لویتاتور صوتی و نمایش شناور مایع