Können Sie den Ball allein durch „Schreien“ in der Luft hängen lassen? Es ist keine Magie, es ist die Kraft des Klangs

Niemand berührte den Ball, aber er blieb ruhig in der Luft. Ist das eine Art Magie? Nein, das ist der Reiz der Ultraschall-Levitation .

Arthur C. Clark, der berühmte Science-Fiction-Autor, sagte einmal: „Jede hinreichend fortschrittliche Technologie ist von Magie nicht zu unterscheiden.“ Die Technologie der akustischen Levitation ist ein derart magisches Ding, dass jeder, der sie gesehen hat, von ihrer Magie begeistert sein wird.

Durch Ultraschall schwebende Wassertropfen

(Bildquelle: Argonne National Laboratory)

Teil 1

Nicht nur Magnetismus, sondern auch Schall kann Gegenstände zum Schweben bringen.

Bei der Federung denkt man vielleicht an die Magnetschwebebahn, deren Prinzip darin besteht, durch die Nutzung elektromagnetischer Kraft eine berührungslose Federung und Führung zwischen Zug und Gleis zu erreichen und so die Geschwindigkeit qualitativ zu verbessern. Viele Menschen wissen jedoch möglicherweise nicht, dass es neben der Magnetschwebetechnik auch eine akustische Schwebetechnik gibt.

Im Jahr 1866 entdeckte der deutsche Physiker August Kundt bei einem Experiment zur Messung der Schallgeschwindigkeit, dass Staubpartikel in einem Reaktionsrohr unter Schallwellen problemlos schweben und tanzen konnten. Dies ist das Phänomen der akustischen Levitation.

Die durch hochintensive Schallwellen erzeugte akustische Strahlungskraft wirkt auf Objekte und gleicht die Schwerkraft der Objekte aus, sodass die Objekte lange Zeit im Raum schweben können, ohne die Wände des Behälters zu berühren. Dabei handelt es sich um das Phänomen der akustischen Levitation , das Probleme wie Verschleiß und Verschmutzung vermeidet.

Im Vergleich zu anderen Aufhängungstechnologien sind die Hauptvorteile der akustischen Levitation: wenige Einschränkungen hinsichtlich des aufzuhängenden Zielmaterials; einfache Gerätegrundlage und geringer Implementierungsaufwand; starke Federungsfähigkeit usw.

Ein einfaches Ultraschall-Levitationsgerät (links) und die Verteilung des Ultraschallfeldes im Schwebezustand

(Bildquelle: Wikipedia)

Teil 2

Instabil bei hohen Temperaturen? Ein System löst es

Im Jahr 2022 entwickelten Forscher des Instituts für Akustik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften ein Ultraschall-Aufhängungssystem zur Messung der physikalischen Eigenschaften von Hochtemperaturobjekten.

Um sicherzustellen, dass dieses System ein Objekt während der Lasererhitzung in der Schwebe halten kann, d. h. um sicherzustellen, dass das Objekt nach der Erhitzung und dem Phasenwechsel (ein häufiger Phasenwechsel ist der Übergang von fest zu flüssig zu gasförmig) stabil bleibt, müssen die Auswirkungen der Lasererhitzung, des Phasenwechsels der Probe und des Temperaturfelds der Gasturbulenzen auf das akustische Feld umfassend berücksichtigt werden. Durch die Kombination von Gaslift und Lasererhitzung wird die Konsistenz des Wandlers durch die Gestaltung der Oberflächenform des Wandlers und die Verbesserung der Wandlerbandbreite erreicht. Durch die Optimierung der Kopplungsparameter des Temperaturfelds und des akustischen Felds werden die Auswirkungen hoher Temperaturen, Luftströmungsgeschwindigkeit und Größe auf das akustische Feld behoben, sodass das System Hochtemperaturobjekte stabil aufhängen und die zugehörigen Parameter selbst anpassen kann.

Schematische Darstellung eines stabilen akustischen Federungssystems mit Hochtemperaturfeld und akustischer Feldkopplung

(Bildquelle: Institut für Akustik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Das Kerngerät des Systems besteht aus drei Gruppen von jeweils sechs einander zugewandten Schallwandlern mit einem passenden Controller und einer Steuerungssoftware, die die Metallkugeln stabil aufhängen können. Das System verwendet fokussierte Laser, um kleine Kugeln in einem Ultraschall-Levitationsfeld zu erhitzen und sie in einen geschmolzenen Zustand zu versetzen. Nachdem die Auswirkungen hoher Temperaturen und des Luftstroms auf das Schallfeld vollständig berücksichtigt wurden, können durch Anpassen des Resonanzabstands, der Leistung und anderer Parameter des Systems Hochtemperaturschmelzobjekte über 1800 °C in einem stabilen Schwebezustand gehalten werden. Gleichzeitig wird ein Niederfrequenzsignal (unter 200 Hz) verwendet, um die Tröpfchen anzuregen und ihre Dichte, ihren Viskositätskoeffizienten und andere Parameter zu messen, wodurch das Problem des Versagens herkömmlicher akustischer Levitationsmessverfahren aufgrund hoher Temperaturen gelöst wird.

Hochtemperatur-Temperaturfeld und akustische Feldkopplung zur Stabilisierung des akustischen Aufhängungssystems

(Bildquelle: Institut für Akustik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Die Ultraschallfederung ist ein Forschungsschwerpunkt in der Federungstechnologie. Der Schwerpunkt und die Schwierigkeit der Forschung liegen darin, die Aufhängungsstabilität des Systems zu verbessern, insbesondere die Stabilität des Systems bei Vorhandensein von Objekten mit hohen Temperaturen. In der Vergangenheit ist es Forschern gelungen, kleine Partikel, Tröpfchen und sogar kleine Insekten in der Schwebe zu halten, weniger jedoch gelang es ihnen, Hochtemperaturobjekte in der Schwebe zu halten und auszurichten.

Kleine Lebewesen per Ultraschall in der Schwebe

(Bildquelle: Referenz [1])

Das vom Institut für Akustik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften entwickelte Ultraschall-Aufhängungssystem zur Messung der physikalischen Eigenschaften von Hochtemperaturobjekten kombiniert die Forschung zur optimalen Verteilung und Kontrolle der Schall- und Temperaturfelder und verwendet Lasererwärmung, Gaslift und andere Mittel, um eine berührungslose, stabile Aufhängung von Objekten mit einer Dichte unter 10.000 kg/m³ (wie etwa Tröpfchen, Stahlkugeln, Kupferkugeln, Oxidmetallkugeln) in einem Raum von mehr als zehn Zentimetern zu erreichen.

Das System hat in den Bereichen Halbleiterherstellung, mikroelektromechanische Systeme, mechanische Montage, Biochemie, Arzneimittelherstellung, Festkörperphysik sowie bodengestützte und weltraumgestützte experimentelle Forschung große Beachtung gefunden und verfügt über breite Anwendungsaussichten.

Schwebende Tröpfchen

(Bildquelle: Institut für Akustik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Dank der Bemühungen der Wissenschaftler hat die „Magie“ der akustischen Levitation eine immer stärkere Wirkung gezeigt. Ich bin davon überzeugt, dass die akustische Levitationstechnologie in Zukunft in verschiedenen Bereichen noch größere „Magie“ entfalten wird.

Verweise

[1] Xie, WJ, et al. Akustische Methode zur Levitation kleiner lebender Tiere[J]. Applied Physics Letters 89.21 (2006): 214102.

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Wang Xiaozhen, Xu Delong (Ultraschalllabor, Institut für Akustik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Der Artikel gibt nur die Ansichten des Autors wieder und repräsentiert nicht die Position der China Science Expo

Dieser Artikel wurde zuerst in der China Science Expo (kepubolan) veröffentlicht.

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