Akustik kaldırma, yüksek yoğunluklu ses dalgaları tarafından oluşturulan akustik radyasyon basıncının uygulanması yoluyla yerçekimsel kuvvetlere karşı koyarak, malzemenin hava ortamında askıya alınmasına yönelik bir tekniği temsil eder.
Bu olay, akustik cımbızların kullandığı prensiplere benzer prensipler üzerinde çalışır ve akustik radyasyon kuvvetlerinden yararlanır. Bununla birlikte, akustik cımbızlar tipik olarak yerçekimi etkilerinin daha az belirgin olduğu akışkan bir ortamda küçük ölçekli aletler olarak işlev görürken, akustik havaya yükselme temel olarak yerçekimine karşı koymayı amaçlar. Teknik açıdan bakıldığında, dinamik akustik kaldırma, akustoforezin bir biçimi olarak kategorize edilebilir, ancak bu tanımlama daha çok minyatür akustik cımbızlarla ilişkilendirilir.
Akustik kaldırma genellikle ultrasonik frekanslar kullanır ve üretilen sesi insan algısı için duyulamaz hale getirir. Bu uygulama öncelikle yer çekiminin üstesinden gelmek için gereken önemli ses yoğunluğu nedeniyle gereklidir. Buna rağmen, kullanılan duyulabilir frekans örnekleri belgelenmiştir.
Ses üretimi için birden fazla metodoloji mevcut olsa da, baskın yaklaşım, belirli frekanslarda yüksek genlikli çıkışları verimli bir şekilde üretebilen piezoelektrik dönüştürücülerin kullanılmasını içerir.
Havaya kaldırma, endüstriyel ortamlarda mikroçiplerin ve diğer küçük, kırılgan bileşenlerin kapsız işlenmesi için umut verici bir teknik sunar. Konteynersiz işleme aynı zamanda son derece yüksek saflıkta malzemeler gerektiren veya geleneksel muhafaza için fazla agresif kimyasal reaksiyonları kolaylaştıran uygulamalarda da kullanım alanı bulur. Bu yöntem, elektromanyetik kaldırma gibi alternatiflere kıyasla daha büyük kontrol zorlukları oluştursa da, iletken olmayan maddelerin havaya kaldırılmasını sağlama gibi belirgin bir fayda sunar.
Başlangıçta statik, akustik kaldırma, sabit süspansiyondan, havada asılı duran nesnelerin dinamik manipülasyonunu kapsayacak şekilde gelişti; bu, ilaç ve elektronik sektörlerinde değerli olduğu kanıtlanan bir yetenektir. Bu dinamik kontrolün ilk gerçekleştirilmesi, kare akustik yayıcılardan oluşan satranç tahtası benzeri bir düzenlemeye sahip bir prototipi içeriyordu. Bu sistem, bir yayıcıdan gelen ses yoğunluğunu kademeli olarak azaltırken aynı anda bitişiktekinden artırarak nesnenin kareler arasındaki hareketini kolaylaştırdı, böylece nesnenin sanal 'alçalması' mümkün oldu. Daha sonraki gelişmeler, özellikle de aşamalı dizi dönüştürücü kartlarının geliştirilmesi, birden fazla parçacık ve damlacık üzerinde eş zamanlı olarak daha çok yönlü dinamik kontrolü mümkün kıldı.
Son teknolojik ilerlemeler, bu teknolojiyle ilgili maliyetlerde de önemli bir düşüşe yol açtı. 'TinyLev' bu eğilimin bir örneğini oluşturuyor; kolayca bulunabilen, pahalı olmayan kullanıma hazır bileşenler ve tekil bir 3D baskılı çerçeve kullanılarak monte edilebilen akustik bir kaldırıcıyı temsil ediyor.
Geçmiş
Deneysel Geliştirme
Akustik havaya yükselmenin fizibilitesinin ilk gösterimi, 1866'da Kundt'un Tüp deneyleri sırasında gerçekleşti. Bir rezonans odası içinde gerçekleştirilen bu deney düzeneği, akustik radyasyon kuvvetlerinin etkisi yoluyla parçacıkların duran bir dalganın düğümlerinde toplanabileceğini gösterdi. Bununla birlikte, orijinal deneyin temel amacı, gazlı bir ortamdaki sesin dalga boylarını ve dolayısıyla hızını belirlemekti.
Havaya yükselmenin ilk örneği, alkol damlacıklarını bir kuvars kristali ile bir reflektör arasında başarıyla askıya alan Bücks ve Muller tarafından 1933'te gösterildi. Akustik radyasyon kuvvetlerine olan ilgisi öncelikle madencilik operasyonlarında toz parçacıklarının toplanmasındaki potansiyel uygulamalarından kaynaklanan Hilary St Clair tarafından daha sonraki ilerleme sağlandı. St Clair, havaya yükselme için gerekli uyarılma genliklerini üretebilen ve ardından madeni para gibi daha büyük ve daha ağır nesnelerin asılmasını sağlayabilen ilk elektromanyetik aygıtı geliştirdi.
Taylor Wang, sıfır yerçekimi ortamlarında bir çevreleme stratejisi olarak akustik radyasyon kuvvetlerini kapsamlı bir şekilde kullanan bir araştırma ekibine liderlik etti. Bu ekip, mikro yerçekimi koşulları altında havada asılı kalan damlacıkların davranışını incelemek için Uzay Mekiği Challenger görevi STS-51-B'ye özel bir cihaz yerleştirdi. Daha sonra 1992'de Amerika Birleşik Devletleri Mikro Yerçekimi Laboratuvarı 1'de (USML-1) ve 1995'te USML-2 üzerinde ek deneyler yapıldı.
1970'lerden 2017'ye kadar, bir piezoelektrik aktüatör, bir metal verici ve bir reflektörden oluşan Langevin Boynuzu, baskın akustik kaldırma cihazını temsil ediyordu. Ancak bu tasarım, verici ile reflektör arasındaki mesafenin hassas bir şekilde kalibre edilmesini gerektiriyordu çünkü bu ayırma, ses dalga boyunun tam bir katına karşılık gelmeliydi. Böyle bir kalibrasyonun zorlu olduğu ortaya çıktı çünkü dalga boyu, sıcaklık ve yükseklik gibi çevresel değişkenlerden etkilenen ses hızıyla birlikte dalgalanıyor. Bu cihazlar, temassız kimya ve küçük biyolojik örneklerin havaya kaldırılması dahil olmak üzere önemli araştırmaları kolaylaştırdı. Ayrıca, ses yoğunluğunu modüle ederek sürekli düzlemsel hareket elde etmek için birden fazla Langevin Kornası entegre edildi: bir kaynaktan gelen ses azaltılırken bitişikteki kaynaktan artırıldı, böylece parçacıkların akustik potansiyel alanı içinde "yokuş aşağı" ilerlemesi sağlandı.
Son zamanlarda, çok sayıda küçük, bireysel piezoelektrik dönüştürücülerin kullanımıyla karakterize edilen yeni nesil akustik kaldırıcılar önem kazandı. Bu kategorideki ilk cihaz, 2017 yılında Bristol Üniversitesi'nden Asier Marzo, Adrian Barnes ve Bruce Drinkwater tarafından geliştirilen tek eksenli, çok yayıcı bir havaya kaldırıcı olan "TinyLev" idi. Langevin Horn'dan temel farklar arasında ses kaynaklarının hem üstten hem de alttan konuşlandırılması (tek bir kaynak ve bir reflektör yerine) ve tek bir piezoelektrik elemanın aksine paralel uyarımlı çok sayıda küçük dönüştürücünün dahil edilmesi yer alıyordu. Tek bir kaynak ve bir reflektör yerine iki karşıt ilerleyen dalgayı kullanan bu konfigürasyon, dikey ayrılmanın dalga boyunun bir katına tam olarak karşılık gelmediği durumlarda bile sabit havaya yükselmeye izin verdi. Başlangıçta bir maliyet düşürme stratejisi olarak düşünülse de, birden fazla küçük kaynağın benimsenmesi, aşamalı dizi kaldırmanın geliştirilmesini de kolaylaştırdı. Ayrıca, sinyal üretimi için Arduino'ların yanı sıra dönüştürücü konumlandırma ve odaklama çerçevesi için 3D baskılı bileşenlerin entegrasyonu, maliyetleri önemli ölçüde azalttı ve erişilebilirliği artırdı. Bu maliyet düşüşü, cihazın temel hedefi olan teknolojiyi demokratikleştirmeyle uyumlu olarak çok önemliydi.
Bu yenilikçi metodoloji aynı zamanda Aşamalı Dizi Ultrasonik Dönüştürücülerin (genellikle PAT olarak kısaltılır) kullanıldığı havaya kaldırma tekniklerinde de önemli ilerlemelere yol açtı. PAT'ler, belirli, birleşik bir ses alanı oluşturmak için hassas bir şekilde kontrol edilen bir ultrasonik hoparlör düzeneğinden oluşur. Bu kontrol, bireysel çıkışlar arasındaki göreceli fazın (veya gecikme süresinin) manipüle edilmesiyle ve ara sıra bunların göreceli büyüklüklerinin ayarlanmasıyla gerçekleştirilir. Tahribatsız muayene veya görüntüleme uygulamalarında kullanılan dizilerin aksine, bu kaldırma dizileri ayrık enerji patlamaları yerine sürekli bir çıktıyla çalışır. Bu sürekli işlem, hem tek taraflı havaya yükselmeyi hem de çok sayıda parçacığın eşzamanlı manipülasyonunu mümkün kıldı.
Giderek yaygınlaşan bir yöntem, havaya yükselme için gerekli faz gecikmelerini sağlamak üzere 3D baskılı bileşenlerin kullanılmasını ve böylece PAT'lere benzer bir etki elde edilmesini içerir. Bu yaklaşım, aşamalı dizilere kıyasla üstün uzaysal çözünürlük avantajı sunarak daha karmaşık akustik alanların oluşmasına olanak tanır. Bu tür bileşenler çeşitli şekillerde Akustik Hologramlar, Metayüzeyler, Gecikme çizgileri veya Metamateryaller olarak adlandırılır. Terminoloji farklılıkları büyük ölçüde orijinal tasarım disiplininden kaynaklansa da, tüm bu tekniklerin altında yatan temel prensip tutarlı kalır. Bu bileşenler aynı zamanda dinamik yeniden yapılandırılabilirlik ve gelişmiş ses alanı çözünürlüğü elde etmek için PAT'larla da entegre edilebilir. Diğer bir faydası ise maliyet etkinliğidir; bunun örneği, düşük maliyetli ultrasonik çekici ışının geliştirilmesiyle örneklendirilebilir ve bunun için eğitim kılavuzları yayınlanmıştır.
Çok sayıda yeni manipülasyon tekniğinin ortaya çıkmasına rağmen, Langevin Boynuzları bilimsel araştırmalarda kullanılmaya devam ediyor. Havaya kaldırılan nesnelerin dinamiği ile ilgili çalışmalardaki tercihleri, hem simülasyonu hem de deneysel parametreler üzerinde hassas kontrolü kolaylaştıran geometrik basitliklerinden kaynaklanmaktadır.
Teorik
Lord Rayleigh'in 20. yüzyılın başlarındaki çalışması öncelikle ses dalgalarının doğasında bulunan teorik kuvvetlere ve enerjiye odaklandı. Akustik alandaki parçacıkların ilk analizi L.V. King, 1934'te sıkıştırılamaz parçacıklara uygulanan kuvveti hesapladı. Daha sonra Yosioka ve Kawisama, düzlemsel akustik dalgalar içindeki sıkıştırılabilir parçacıklar üzerindeki kuvvetleri hesaplayarak bu araştırmayı genişletti. Bu ilerleme, Lev P. Gor'kov'un alanı Gor'kov potansiyeline genellemesiyle doruğa ulaştı; bu, günümüzde akustik havaya yükselmenin temel matematiksel temeli olmaya devam ediyor.
Gor'kov potansiyeli, temelde dalga boyundan önemli ölçüde daha küçük bir yarıçapa sahip, tipik olarak dalga boyunun onda biri ile sınırlı olan kürelere uygulanan, temel varsayımları tarafından sınırlandırılır. Basit geometriler için ek analitik çözümler mevcut olsa da, analizin daha büyük veya küresel olmayan nesnelere genişletilmesi genellikle sayısal yöntemlerin, özellikle de sonlu elemanlar yönteminin veya sınır elemanları yönteminin uygulanmasını gerektirir. Ayrıca sesin radyasyon basıncı, bir nesnenin yüzeyinin dalga boyu altı desenlenmesi yoluyla hassas bir şekilde yönetilebilir.
Havaya Yükselme Türleri
Akustik kaldırma genel olarak beş farklı türe ayrılabilir:
- Duran Dalganın Havaya Yükselmesi: Bu teknik, parçacıkları ya bir reflektörle eşleştirilmiş bir ses kaynağı (Langevin Boynuzu'nda olduğu gibi) ya da iki bağımsız kaynak grubu (TinyLev'de olduğu gibi) tarafından üretilen bir duran dalganın düğümlerinde yakalar. Etkinliği, parçacıkların dalga boyuna göre küçük olmasına, tipik olarak %10 veya daha az olmasına ve maksimum kaldırılan ağırlığın genellikle miligram aralığında olmasına dayanır. Özellikle, eğer bir parçacık dalga boyuna göre aşırı derecede küçükse davranışı değişir ve anti-düğümlere göç etmesine neden olur. Bu havaya kaldırıcılar tipik olarak tek eksenlidir ve tüm parçacıkları merkezi bir eksen boyunca sınırlandırır; ancak Aşamalı Dizi Dönüştürücülerinin (PAT'ler) entegrasyonu dinamik manipülasyona olanak tanır. Bu yöntem, iki bileşenli ilerleyen dalganın ürettiği yapıcı girişim nedeniyle, bir dalga boyunu aşan mesafelerde havaya yükselme için en sağlam tekniği temsil eder. Tek ışının belli bir mesafede havaya yükselmesiyle oluşturulan kuvvetler, basit bir duran dalganın oluşturduğu kuvvetlerden yaklaşık 30 kat daha zayıftır.
- Uzak Alan Akustik Kaldırma: Bu yöntem, nesnenin belirli boyutuna ve şekline uygun özel bir alan oluşturarak akustik dalga boyundan daha büyük nesnelerin havaya kaldırılmasını kolaylaştırır. Bu yetenek, nesnenin yüksek yoğunluklu olmaması koşuluyla, bu tür nesnelerin kaynaktan dalga boyundan daha büyük mesafelerde havaya kaldırılmasına olanak tanır. İlk uygulamalar, disk şeklindeki nesneler için basit bir dikey duran dalgayı veya küreleri stabilize etmek için üç dönüştürücülü bir konfigürasyonu içeriyordu. Ancak daha yeni gelişmeler, önemli ölçüde daha büyük nesneleri uzun mesafelerde havaya kaldırmak için Aşamalı Dizi Dönüştürücüleri (PAT'ler) ve sınır elemanı yöntemini kullanıyor. Bu teknikle başarıyla kaldırılan en ağır nesne, 0,6 g ağırlığında, 30 mm çapında genişletilmiş polistiren küredir. Nesnenin üstüne ve altına yerleştirilen PAT'ler kullanılarak akustik olarak havaya kaldırılan en büyük nesne, 50 mm diyagonal uzunluğa ve 0,5 g kütleye sahip genişletilmiş polistiren oktahedrondur.
- Tek Işınla Havaya Yükseltme: Bu teknik, erişim tek bir tarafla sınırlı olacak şekilde, kaynaklardan tek bir dalga boyundan daha uzak mesafelerdeki nesnelerin havaya kaldırılmasını içerir. Tuzak tasarımının özelleştirilmesi gerekir; genellikle ikiz tuzak veya girdap tuzağı şeklinde ortaya çıkar, ancak şişe tuzağı da uygun bir seçenektir. En basiti olan ikiz tuzak, parçacığın karşıt taraflarında iki adet yüksek basınçlı "cımbız" oluşturur. Geometrik odaklama kullanıldığında, bu konfigürasyon hali hazırda mevcut bileşenler kullanılarak bir çekici ışın oluşturabilir. Tersine, girdap tuzağı merkezi bir düşük basınç "deliği" oluşturur. Daha karmaşık bir faz alanı gerektirmesine rağmen girdap tuzağı, ikiz tuzağın aksine, dalga boyundan daha büyük nesneleri havaya kaldırabilir. 2019 yılında Bristol Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, en büyük nesnenin, 19,53 mm çapında genişletilmiş polistiren top olan çekici ışınla havaya kaldırılmasını başardı. Bu başarı, YouTube Originals için hazırlanan ve Rick Edwards tarafından sunulan bir BBC Earth yapımı olan "The Edge of Science"ta yer aldı.
- Yakın Alan Havaya Yükselmesi: Bu yöntem, önemli, düzlemsel bir nesnenin bir dönüştürücü yüzeyinin yakınına konumlandırılmasını içerir; burada bir reflektör olarak işlev görür ve son derece ince bir hava filmi üzerinde havaya yükselmeyi sağlar. Birkaç kilogramı destekleyebilmesine rağmen, bu teknik yüzeyden yalnızca yüzlerce mikrometrelik yüksekliklerle sınırlıdır. Sonuç olarak, insan açısından bakıldığında, gerçek havaya yükselmeden ziyade sürtünmede önemli bir azalma olarak kendini gösterir.
- Tersine çevrilmiş Yakın Alan Akustik Havaya Yükselme: Belirli koşullar altında, yakın alan havaya yükselmeden sorumlu olan itici kuvvet tersine dönerek çekici bir kuvvete dönüşür. Bu gibi durumlarda dönüştürücü aşağıya doğru yönlendirilebilir ve böylece altındaki bir nesnenin havaya kaldırılması kolaylaştırılabilir. Miligram ölçeğinde ağırlığa sahip nesneler, onlarca mikrometrelik mesafelerde başarılı bir şekilde havaya kaldırılmıştır. Mevcut araştırmalar, bu olgunun diskin eşdeğer yarıçapı dalga boyunun %38'inden az olduğunda meydana geldiğini göstermektedir.
Bu geniş sınıflandırmalar havaya yükselme türlerini kategorize etmeye yönelik bir yöntemi temsil eder, ancak bunlar kapsamlı değildir. Devam eden araştırmalar, sabit dalga kaldırmanın bir ikiz tuzak sistemi (tipik olarak tek ışınlı kaldırma yöntemi) ile kombinasyonu yoluyla eksenel simetrik olmayan nesnelerin kararlı havaya kaldırılması gibi gelişmiş yeteneklere ulaşmak için çeşitli tekniklerin entegrasyonunu araştırıyor. Ayrıca, pasif alan oluşturma veya üstün uzamsal çözünürlük gibi faydalar elde etmek için bu teknikleri 3D baskılı faz kaydırma bileşenleriyle birleştirmek için önemli çabalar sarf edilmektedir. Kontrol teknikleri de önemli bir çeşitlilik göstermektedir; Faz Dizili Dönüştürücüler (PAT'ler) yaygın olmakla birlikte, Chladni Plakalarının, havaya kaldırılan nesnelerin frekanslarını değiştirerek manipüle edilmesi için etkili tek duran dalga kaynakları olduğu da gösterilmiştir.
Uygulamalar
Akustik havaya yükselme, uygulamalarını öncelikle bilimsel araştırma ve endüstriyel süreçlerde bulur.
Akustik kaldırma, damlacık kurutma deneyleri için kapsız bir ortam sunarak sıvı buharlaşması ve parçacık oluşumunun incelenmesini kolaylaştırır. Damlacıkların temassız manipülasyonu, küçük ölçekli, kapsız kimya potansiyeli nedeniyle de büyük ilgi topladı. Spesifik olarak araştırmacılar, kimyasal reaksiyonları geleneksel kaplardan izole ederek araştırmak için Aşamalı Dizi Dönüştürücüleri (PAT'ler) kullanarak birden fazla damlacığı karıştırmaya isteklidir. Ek olarak, kristal yapılarını atomik çözünürlükte, oda sıcaklığında ve yüksek verimle belirlemeyi amaçlayan X-ışını kırınım deneylerinde, protein kristalleri için damarlar olarak havaya yükselen küçük damlacıkların kullanılmasına büyük ilgi vardır.
Araştırma aynı zamanda küçük canlı hayvanların havaya yükselmesini de araştırdı ve tipik olarak havada bulunan türlerin canlılığı üzerinde hiçbir olumsuz etki göstermedi. Bu teknik, doğrudan hayvan çalışmaları için gelecekteki bir araç olma potansiyeline sahiptir.
Temassız montaj alanında aktif araştırmalar devam etmektedir. Gösteriler arasında yüzeye monte elektrikli bileşenlerin havaya kaldırılması ve akustik ve manyetik alanların birleşimi yoluyla elde edilen mikro montaj yer alıyor. Ayrıca, nesneler havaya kaldırılırken 3D baskıya ticari ilgi mevcuttur; bu, Boeing'in bu konsept için yaptığı patent başvurusunda da görülmektedir.
Akustik kaldırma, ışığın insan gözünün algılayamayacağı bir hızda bir görüntü oluşturmak için bir yolu kat eden bir parçacığın üzerine yansıtıldığı hacimsel görüntülerin geliştirilmesi için bir yöntem olarak da önerilmiştir. Bu yetenek zaten kanıtlanmış ve aynı Aşamalı Dizi Dönüştürücüden (PAT) kaynaklanan ses ve dokunsal geri bildirimle entegre edilmiştir.
Akustik cımbız
- Akustik cımbız
- Optik kaldırma
- Radyasyon basıncı
- Elektrostatik havaya yükselme
- Manyetik havaya yükselme
- Aerodinamik havaya yükselme
- Yüzme kuvveti
Referanslar
Canlı Bilim – Küçük Hayvanların Havaya Yükselmesi Üzerine Araştırma
- Canlı Bilim – Bilim Adamları Küçük Hayvanları Havaya Kaldırıyor
- Fizik Kızı Videosu – Akustik Levitatörün Yapımı ve Sıvı Kaldırma Gösterisi