La levitación acústica és un fenomen físic no llineal relacionat en les ones acústiques. Es tracta d'un método per a suspendre matèria en l'aire contra la gravetat utilisant pressió de radiació acústica d'ones de sò d'alta intensitat (de l'orde de 155 dB). Són eixes ones acústiques les que conseguixen mantindre a l'objecte suspés en l'aire sense necessitat de contacte, per això la denominació: levitación.[1]
Funciona en els mateixos principis que les pinces acústiques, aprofiten les forces de radiació acústica. No obstant, les pinces acústiques són generalment dispositius a chicoteta escala que operen en un mig decorregut i es veuen menys afectats per la gravetat, mentres que la levitación acústica s'ocupa principalment de véncer la gravetat.
Normalment s'utilisen ones sonores a freqüències ultrasòniques per lo que no crea cap sò audible per als humans.[2] Açò es deu principalment a l'alta intensitat de sò necessària per a contrarrestar la gravetat. En canvi, hi ha hagut casos d'us de freqüències audibles.[3] Existixen vàries tècniques per a generar el sò, pero la més comuna és l'us de transductores piezoelèctrics, que poden generar de manera eficient eixides d'alta amplitut en les freqüències desijades.
La levitación és un método prometedor per al processament sense contenidors de microchips i atres objectes menuts i delicats en l'indústria. El processament sense contenidor també es pot utilisar per a aplicacions que requerixen materials de molt alta purea o reaccions químiques massa rigoroses per a ocórrer en un contenidor. Este método és més difícil de controlar que uns atres, com la levitación electromagnètica, pero té la ventaja de poder levitar materials no conductors.
Encara que originalment estàtica, la levitación acústica ha progressat de la levitación immòvil al control dinàmic d'objectes flotants, una habilitat útil en les indústries farmacèutica i electrònica. Açò es va realisar per primera volta en un prototip en una matriu d'emissors acústics quadrats en forma de tauler d'escacs que movien un objecte d'un quadrat a un atre baixant llentament l'intensitat del sò emés des d'un quadrat mentres aumentava l'intensitat del sò de l'atre, permetien aixina que l'objecte viajara virtualment "costera avall".
Més recentment, el desenroll de plaques de transductores de matriu en fase ha permés un control dinàmic més arbitrari de múltiples partícules i chicotetes gotes al mateix temps.[4]
Els alvanços recents també han vist disminuir significativament el preu de la tecnologia. El "TinyLev" és un levitador acústic que es pot construir en components llests per a usar, de baix cost i àmpliament disponibles, i un sol marc imprés en 3D.[5][6]
El moviment de les partícules per les forces de radiació acústica va ser la primera demostració de la possibilitat de levitación acústica. Esta primera demostració sobre la possibilitat de la levitación acústica es va realisar en els experiments de tubo de Kundt en 1866. L'experiment portat a terme en una cambra resonante va demostrar que les partícules es podien reunir en els nodos d'una ona estacionaria per les forces de radiació acústica. No obstant, l'experiment original es va realisar en l'intenció de calcular la llongitut d'ona i, per lo tant, la velocitat del sò dins d'un gas.
Archiu:Kundt tube.pngDibuix de l'experiment del tubo de Kundt fet per ell mateixa. Representa el moviment de les partícules per les forces de la radiació acústica, que va ser la primera demostració de la possibilitat de levitación acústica.
La primera levitación va ser demostrada per Bücks i Muller en 1933, els qui levitaron gotes d'alcohol entre un cristal de cuarzo i un reflector.[7] El següent alvanç va provindre d'Hilary St Clair, qui estava interessada en les forces de radiació acústica principalment per a les seues aplicacions en l'aglomeració de partícules de pols per al seu us en aplicacions mineres.
Va crear el primer dispositiu electromagnètic per a produir les amplitut d'excitació necessàries per a la levitación i després va passar a levitar objectes més grans i pesats, inclosa una moneda.[8]
Taylor Wang va ser el líder d'un equip que va fer un us significatiu de les forces de radiació acústica com a mecanisme de contenció en gravetat zero, duent un dispositiu a la missió Space Shuttle Challenger per a investigar el comportament de les gotes levitadas en micro gravetat. En 1992 es varen portar a terme més experiments a bordo del Laboratori de micro gravetat d'Estats Units (USML-1), i en 1995 a bordo de el USML-2.
El levitador més comú d'a lo manco la década de 1970 estava compost per un actuador piezoelèctric, un transmissor metàlic i un reflector. No obstant, açò requeria un ajust precís de la distància entre el transmissor i el reflector, ya que la distància entre la font i el reflector devia ser un múltiple exacte de la llongitut d'ona. Açò és més difícil de lo que sembla, ya que la llongitut d'ona varia en la velocitat del sò, que varia en factors ambientals com la temperatura i l'altitut. S'han realisat estudis importants en estos dispositius, inclosa la química sense contacte i la levitación d'animals menuts.[9] Varis d'estos també es varen combinar per a crear un moviment pla continu en reduir l'intensitat del sò d'una font i al mateix temps aumentar la de la font adjacent, permetent que la partícula viage "costera avall" en el camp de potencial acústic.
Recentment s'ha tornat més comú una nova generació de levitadores acústics que ampren una gran cantitat de menuts transductores piezoelèctrics individuals. Les diferències clau en Langevin Horn eren l'us de fonts tant des de dalt com des d'avall (en lloc de font i un reflector) i l'us d'una gran cantitat de menuts transductores en excitació paralela, en lloc d'un sol element piezoelèctric. L'us de dos ones viageres opostes, en lloc d'una sola font i un reflector, significava que la levitación encara era possible inclús quan la distància entre la part superior i inferior no era un múltiple precís de la llongitut d'ona. Açò va dur a un sistema més robust que no requerix cap ajust abans de l'operació. L'us de múltiples fonts chicotetes es va dissenyar inicialment com una mida d'aforro de costs, pero també va obrir la porta a la levitación en fase.
L'us de components d'impressió 3D per al marc que posiciona i enfoca els transductores i Arduino com a generadors de senyal també va reduir significativament el cost mentres aumentava l'accessibilitat. La reducció en el cost va ser particularment important ya que l'objectiu principal d'este dispositiu era la democratisació de la tecnologia.
Este nou enfocament també va conduir a desenrolls significatius utilisant transductores ultrasònics de matriu en fase (a sovint denominats PAT) per a levitación. Estos transductores són una colecció d'altaveus ultrasònics que es controlen per a crear un únic camp de sò desijat. Açò es conseguix controlant la fase (ones) relativa (és dir, el temps de retardo) entre cada eixida i, a voltes, també les magnituts relatives d'eixida. A diferència de les seues contrapartes en els camps de proves ultrasòniques no destructives, estes matrius utilisaran una eixida contínua, en lloc de breus raches d'energia. Açò ha permés la unilateralidad, aixina com la manipulació d'un gran número de partícules simultàneament.
Un atre enfocament que està creixent en popularitat és l'us de components impresos en 3D per a aplicar els retarts de fase necessaris per a la levitación, creant un efecte similar als PAT pero en la ventaja de que poden tindre una resolució espacial més alta que la matriu en fase, lo que permet més camps complexos a formar. Estos, a voltes es denominen hologrames acústics,[10] metasuperficies,[11] llínees de retardo[12] o metamateriales.[13] Les diferències en térmens es basen principalment en l'àrea d'a on es va originar la tècnica de disseny, pero l'idea bàsica darrere de totes les tècniques és essencialment la mateixa. També es poden utilisar junt en PAT per a obtindre una reconfigurabilidad dinàmica i una major resolució del camp de sò. Una atra ventaja és la reducció de costs, sent un eixemple destacat el raig tractor ultrasònic (de baix cost).
Encara que s'han desenrollat moltes noves tècniques de manipulació, les banyes Langevin encara s'utilisen en l'investigació. A sovint se'ls favorix per a l'investigació de la dinàmica dels objectes levitados per la simplicitat de la seua geometria i la consegüent facilitat de simulació i control de factors experimentals.[14]
John William Strutt, va desenrollar teories sobre la força de pressió associada en les ones sonores a principis de el XX, sobre l'impuls i la pressió de les vibracions gaseoses, i sobre la conexió en el teorema del virial.[15][16] No obstant, este treball es va basar principalment en les forces teòriques i l'energia contingudes en una ona de sò. El primer anàlisis de partícules va ser realisat per LV King en 1934, qui va calcular la força sobre partícules incompresibles en un camp acústic. Açò va ser seguit per Yosioka i Kawisama, els qui varen calcular les forces sobre partícules comprimibles en ones acústiques planes, la base matemàtica de la levitación acústica que encara s'usa àmpliament en l'actualitat.
El potencial de Gor'kov està llimitat per les seues suposicions a esferes en un radi significativament menor que la llongitut d'ona, Hi ha més solucions analítiques disponibles per a geometria simples; no obstant, per a estendre-les a objectes més grans o no esfèrics, és comú usar métodos numèrics, particularment el método d'elements finitos o el método d'elements de frontera.[17]
La levitación acústica es pot dividir en cinc categories diferents:
Levitación d'ona estacionaria: Les partícules queden atrapades en els nodos d'una ona estacionaria, formada per una font de sò i un reflector (en el cas de Langevin Horn) o dos conjunts de fonts (en el cas del TinyLev). Açò depén de que les partícules siguen chicotetes en relació en la llongitut d'ona, típicament en la regió del 10% o menys, i el pes màxim de levitación sol ser de l'orde d'uns pocs miligrams.
També val la pena senyalar que, si la partícula és massa chicoteta en relació en la llongitut d'ona, es comportarà de manera diferent i viajarà als antinodos.[18] Normalment, estos levitadores són d'un sol eix, lo que significa que totes les partícules queden atrapades a lo llarc d'un sol eix central del levitador. No obstant, en l'us de PAT també poden ser dinàmics. Esta és la tècnica més forta per a la levitación a una distància major que una llongitut d'ona per l'interferència constructiva de les dos ones viageres que la formen. Les forces de la levitación d'un sol fes a distància són 30 voltes més dèbils que una ona estacionaria simple. Un levitador acústic d'un sol fes que utilisa una trampa de vórtice per a levitar una partícula de poliestireno s'expandirà aproximadament el doble del tamany de la llongitut d'ona. Els vórtices s'alternen ràpidament en direcció per a evitar que la partícula gire fins al punt d'inestabilitat.[19]
Levitación acústica de camp lluntà: Els objectes més grans que la llongitut d'ona Archiu:Fotografías de la levitación de poliestireno debido a la acción de ondas ultrasónicas (levitación acústica).jpgFotografies de la levitación de poliestireno per l'acció d'ones ultrasòniques (levitación acústica) són levitados generant un camp que s'adapta al tamany i la forma de l'objecte levitado. Açò permet que els objectes més grans que la llongitut d'ona leviten a distàncies majors que la llongitut d'ona de la font. No obstant, l'objecte no deu ser d'alta densitat. En els primers enfocaments, es tractava d'una ona estacionaria vertical simple per a discs.
Desenrolls recents han utilisat una PAT i el método d'element de llímit per a levitar objectes molt més grans a distàncies molt més llargues. L'objecte més pesat que s'alça en esta tècnica és una esfera de poliestireno expandit de 30 mm de diàmetro en una massa de 0,6 g.[20] Un octaedre de poliestireno expandit en una llongitut diagonal de 50 mm i una massa de 0,5 g és l'objecte més gran jamai levitado acústicament per esta tècnica utilisant PAT per damunt i per baix de l'objecte.
Levitación d'un sol fes: Levitación d'objectes a una distància major que una sola llongitut d'ona de les fonts en accés sol des d'un sol costat. En este cas, la trampa deu estar especialment dissenyada, i generalment pren la forma d'una trampa doble o una trampa de vórtice, encara que també és possible un tercer tipo de trampa anomenada trampa de botella. La trampa bessona és la més simple d'estes possibilitats, que forma dos "pinces" d'alta pressió a cada costat de la partícula.[21] La trampa de vórtice crea un "forat" de baixa pressió en el centre. Requerix un camp de fase més complex, pero, a diferència de la trampa bessona, es pot usar per a alçar objectes més grans que la llongitut d'ona.
Levitación de camp propenc: Un objecte pla gran es coloca molt prop de la superfície del transductor i actua com un reflector, lo que li permet levitar sobre una película molt fina d'aire. Esta tècnica és capaç d'alçar varis quilograms, pero no pot superar els centenars de micrómetros sobre la superfície. Com a tal en una escala humana apareix més com una enorme reducció en la fricció, que com a levitación.[22]
Levitación acústica de camp propenc invertit: Baixe certes condicions, la força repulsiva que produïx la levitación de camp propenc s'invertix i es convertix en una força atractiva. En este cas, el transductor pot apuntar cap a avall i la configuració levitará, l'objecte levitará baix d'ell. L'objecte levitará a una distància de decenes de micrómetros i els objectes en l'escala de miligrams. Investigacions actuals sugerixen que ocorre a on el radi equivalent del disc és menor al 38% de la llongitut d'ona.[23]
Estes àmplies classificacions són una forma única de classificar els tipos de levitación, pero no són definitives. S'està treballant més en la combinació de tècniques per a obtindre majors habilitats, com la levitación estable d'objectes no simètrics en combinar la levitación d'ones estacionarias en una trampa doble (típicament una tècnica de levitación de fes únic).
Aixina mateix, hi ha una cantitat significativa de treball per a combinar estes tècniques en components de desplaçament de fase impresos en 3D per a obtindre ventages com la formació de camps passius o una resolució espacial més alta.També existix una variació significativa en les tècniques de control. Si be les PAT són comunes, també s'ha demostrat que plaques de Chladni es poden utilisar com una única font d'ona estacionaria per a manipular objectes levitados canviant la freqüència.[24]
.jpg){kind=link}