研究人員展現出用聲波讓大型球體懸浮在半空中

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當進入到一個聲波場裡面時,體積較小的物體可藉由聲波的淨力推升,懸浮在空中。在一項新的研究實驗中,研究人員證明,使用頻率高於人類聽覺的超聲波,可以讓聚苯乙烯球,懸浮50毫米(2英寸)。

這個實驗是第一次有大於聲波波長的物體被聲波懸浮起來。先前只能在特定操作條件下對少數的物件來進行,如線狀和平面物體,才能達成。不過在這個新的研究中,懸浮的球體比這14毫米聲波的波長還要大了3.6倍。

研究人員是巴西聖保羅大學的Marco Andrade和Julio Adamowski,他們與英國愛丁堡Heriot -Watt大學的Anne Bernassau共同主持這項研就。最近他們在一期應用物理快報上,發表了聲波懸浮的實驗結果。

Andrade告訴Phys.org 說:「在駐波的聲壓節點上可以將體積較小的顆粒懸浮起來,這是大家過去所熟知的定理。不過在聲壓節點上,所能推起物體體積的最大直徑,約為聲波波長的四分之一。這也就是說,如果超聲波的波長範圍內是20 kHz以上,那麼可浮起球體的最大直徑約為4毫米。在我們的論文中證明,我們可以組合多個超音波轉換器,將體積大於聲波波長的物體舉起。在我們的實驗中,我們可以用50毫米的聲波,將1/4波長到3.6倍波長體積的物體舉起來。

雖然有幾種不同的方式來可以對物體進行聲波懸浮,不過大部分方法還是使用超音波轉換器,將電信號轉換成超聲波。目前的設置是使用三台超音波轉換器圍繞著球體。

研究人員解釋,超音波轉換器的角度和數量是可以改變的,而這些設置與懸浮較大物體的動力無關。球體之所以能夠懸浮是因為這三台超音波轉換器所發出的駐波,在球體和超音波轉換器的中間產生一個空間內。在以前的方法中,小物體是被困在駐波的壓力節點,因而可以懸浮起來。但在我們的研究裡不是這樣。

Andrade解釋:「在典型的聲波懸浮裝置中,小顆粒可以藉由換能器和反射器之間所形成的駐波和壓力節點舉起來。我們的研究卻不是利用壓力節點抓住的目標物。要讓比聲波波長大的物體飄浮起來的關鍵是在於換能器和物體之間所產生的駐波。」

雖然這種方法以過去的研究做為基礎,不過這裡所使用的三腳結構,卻提供了更強的3D穩定性。

Andrade說:「能把比聲波波長較大的物體舉起來,這個想法是從Zhao和Wallaschek所發表的研究中所啟發的。在他們的研究成果中發現,一個大的平板物體,可以透過,目標和換能器之間的駐波被舉起來。但他們的設備只能夠提供垂直的聲波動力,而且為了防止物體掉落,他們在中心點放了一根針頭。不過在我們的實驗裡,是分別在三點配置使用了三台超音波轉換器,讓我們可以同時有垂直和橫向的聲波動力。所以我們可以讓一個比任何聲波接觸面的波長更大的物體漂浮 起來。

研究人員證明使用這種新方法,可以讓球體懸浮到約7毫米的高度,或接近聲波波長的一半。他們認為將來,這種方法不但可以讓更大的球體懸浮起來,還可以擴展到,在不同位置漂浮,以及舉起不同形狀和大小的物體。

Andrade說:「目前,我們只能在固定位置的空隙中將物體懸浮起來。日後我們要開發新設備,使其能夠在空中漂浮和操縱更大的物體。」

聲懸浮可用於各種材料上面,例如:非常熱的材料和太空中的液體樣品。在微重力下,和地球上液體的表面張力相比,可以舉起更大的物體,而聲懸浮還可用於控制和分析這些大量的液體樣品。

來源:Phys.org