วิธีการทำงานของการลอยแบบอะคูสติก

ทุกๆ วัน เว้นแต่คุณจะเดินทางเข้าไปในสุญญากาศของอวกาศเสียงจะคงอยู่รอบตัวคุณทุกวัน แต่โดยส่วนใหญ่แล้ว คุณอาจไม่คิดว่ามันเป็นการแสดงตนทางกายภาพ คุณได้ยินเสียง คุณไม่ได้สัมผัสพวกเขา ข้อยกเว้นเพียงอย่างเดียวอาจเป็นไนท์คลับที่มีเสียงดัง รถยนต์ที่มีลำโพง แบบสั่นหน้าต่าง และ เครื่อง อัลตราซาวนด์ที่บดนิ่วในไต แต่ถึงอย่างนั้น คุณมักจะไม่คิดว่าสิ่งที่คุณรู้สึกว่าเป็นเสียง แต่เป็นการสั่นสะเทือนที่เสียงสร้างขึ้นในวัตถุอื่นๆ

ความคิดที่ว่าสิ่งที่จับต้องไม่ได้สามารถยกสิ่งของได้อาจดูไม่น่าเชื่อ แต่เป็นปรากฏการณ์ที่แท้จริง การลอยแบบอะคูสติกใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติของเสียงเพื่อทำให้ของแข็ง ของเหลว และก๊าซหนักลอยได้ กระบวนการนี้สามารถเกิดขึ้นในแรงโน้มถ่วงปกติหรือลดลง กล่าวอีกนัยหนึ่ง เสียงสามารถลอยวัตถุบนโลกหรือในเปลือกที่บรรจุก๊าซในอวกาศได้

เพื่อให้เข้าใจว่าการลอยตัว ด้วยเสียงทำงานอย่างไร ก่อนอื่นคุณต้องรู้เล็กน้อยเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วงอากาศและเสียง ประการแรกแรงโน้มถ่วงเป็นแรงที่ทำให้วัตถุดึงดูดกัน วิธีที่ง่ายที่สุดในการทำความเข้าใจแรงโน้มถ่วงคือผ่านกฎความโน้มถ่วงสากลของไอแซก นิวตัน กฎข้อนี้ระบุว่าทุกอนุภาคในจักรวาลดึงดูดอนุภาคอื่น ๆ ยิ่งวัตถุมีมวลมากเท่าใด ก็ยิ่งดึงดูดวัตถุอื่นๆ ได้มากเท่านั้น ยิ่งวัตถุใกล้กันมากเท่าไหร่ก็ยิ่งดึงดูดกันมากขึ้นเท่านั้น วัตถุขนาดมหึมา เช่น โลก ดึงดูดวัตถุที่อยู่ใกล้ๆ ได้ง่าย เช่น แอปเปิ้ลที่ห้อยลงมาจากต้นไม้ นักวิทยาศาสตร์ยังไม่ได้ตัดสินใจว่าอะไรทำให้เกิดแรงดึงดูดนี้ แต่พวกเขาเชื่อว่ามีอยู่ทุกหนทุกแห่งในจักรวาล

ประการที่สองอากาศเป็นของเหลวที่ทำงานในลักษณะเดียวกับของเหลว เช่นเดียวกับของเหลว อากาศประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กมากซึ่งเคลื่อนที่สัมพันธ์กัน อากาศก็เคลื่อนที่ได้เหมือนน้ำ อันที่จริงแล้ว การทดสอบตามหลักอากาศพลศาสตร์บางอย่างเกิดขึ้นใต้น้ำแทนที่จะทำในอากาศ อนุภาคในก๊าซ เช่นเดียวกับที่ประกอบเป็นอากาศ อยู่ห่างกันและเคลื่อนที่เร็วกว่าอนุภาคในของเหลว

ประการที่สามเสียงคือการสั่นที่เคลื่อนที่ผ่านตัวกลาง เช่น แก๊ส ของเหลว หรือของแข็ง แหล่งที่มาของเสียงคือวัตถุที่เคลื่อนที่หรือเปลี่ยนรูปร่างอย่างรวดเร็ว ตัวอย่างเช่น หากคุณตีระฆัง ระฆังจะสั่นในอากาศ เมื่อด้านหนึ่งของกระดิ่งเคลื่อนออก มันจะดันโมเลกุลของอากาศที่อยู่ติดกัน เพิ่มความกดดันในบริเวณนั้นของอากาศ บริเวณที่มีความกดอากาศสูงกว่านี้จะเป็นแรงอัด เมื่อด้านข้างของกระดิ่งเคลื่อนกลับเข้ามา มันจะดึงโมเลกุลออกจากกัน ทำให้เกิดบริเวณที่มีความดันต่ำกว่าที่เรียกว่าrarefaction จากนั้นกระดิ่งจะทำซ้ำขั้นตอนโดยสร้างชุดการกดทับและการคัดแยกซ้ำ การทำซ้ำแต่ละครั้งคือหนึ่งช่วงคลื่นของคลื่นเสียง

คลื่นเสียงเดินทางเมื่อโมเลกุลเคลื่อนที่ผลักและดึงโมเลกุลรอบตัว แต่ละโมเลกุลจะย้ายโมเลกุลที่อยู่ติดกันตามลำดับ หากปราศจากการเคลื่อนที่ของโมเลกุล เสียงก็ไม่สามารถเดินทางได้ ด้วยเหตุนี้จึงไม่มีเสียงในสุญญากาศ คุณสามารถดูภาพเคลื่อนไหวต่อไปนี้เพื่อเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับพื้นฐานของเสียง

คลิกลูกศรเพื่อไปยังสไลด์ถัดไป

การลอยแบบอะคูสติกใช้เสียงที่เคลื่อนที่ผ่านของไหลซึ่งปกติแล้วเป็นก๊าซ เพื่อทำให้แรงโน้มถ่วงสมดุล บนโลกนี้อาจทำให้วัตถุและวัสดุลอยอยู่ในอากาศโดยไม่ได้รับการสนับสนุน ในอวกาศ มันสามารถยึดวัตถุให้คงที่เพื่อไม่ให้เคลื่อนที่หรือล่องลอย

กระบวนการนี้อาศัยคุณสมบัติของคลื่นเสียง โดยเฉพาะคลื่นเสียงที่รุนแรง เราจะดูว่าคลื่นเสียงสามารถยกวัตถุได้อย่างไรในหัวข้อถัดไป

เครื่องช่วยหายใจแบบอะคูสติกพื้นฐานมีสองส่วนหลัก -- ท รานสดิวเซอร์ ซึ่งเป็นพื้นผิวที่มีการสั่นสะเทือนซึ่งทำให้เกิดเสียง และตัวสะท้อนแสง บ่อยครั้งที่หัวโซน่าร์และรีเฟลกเตอร์มี พื้นผิว เว้าเพื่อช่วยเน้นเสียง คลื่นเสียงเคลื่อนตัวออกจากหัวโซน่าร์และกระเด้งออกจากตัวสะท้อนแสง คุณสมบัติพื้นฐานสามประการของการเดินทางครั้งนี้ คลื่นสะท้อนช่วยให้วัตถุลอยตัวกลางอากาศได้

ประการแรก คลื่นก็เหมือนเสียงทั้งหมด เป็นคลื่นความดันตามยาว ในคลื่นตามยาว การเคลื่อนที่ของจุดในคลื่นจะขนานกับทิศทางที่คลื่นเคลื่อนที่ เป็นการเคลื่อนไหวแบบที่คุณเห็นถ้าคุณผลักและดึงปลายด้านหนึ่งของ Slinky ที่ยืดออก อย่างไรก็ตาม ภาพประกอบส่วนใหญ่จะแสดงภาพเสียงเป็น คลื่น ตามขวางซึ่งเป็นสิ่งที่คุณจะได้เห็นหากคุณขยับปลายด้านหนึ่งของ Slinky ขึ้นและลงอย่างรวดเร็ว นี่เป็นเพียงเพราะคลื่นตามขวางมองเห็นได้ง่ายกว่าคลื่นตามยาว

ประการที่สอง คลื่นสามารถกระเด้งออกจากพื้นผิวได้ มันเป็นไปตามกฎการสะท้อนซึ่งระบุว่ามุมตกกระทบ - มุมที่บางสิ่งกระทบพื้นผิว - เท่ากับมุมสะท้อน-- มุมที่ออกจากผิวน้ำ กล่าวอีกนัยหนึ่ง คลื่นเสียงกระเด้งออกจากพื้นผิวในมุมเดียวกันกับที่กระทบพื้นผิว คลื่นเสียงที่กระทบพื้นผิวที่มุม 90 องศาจะสะท้อนกลับออกไปในมุมเดียวกัน วิธีที่ง่ายที่สุดในการทำความเข้าใจการสะท้อนของคลื่นคือการจินตนาการถึง Slinky ที่ติดอยู่กับพื้นผิวที่ปลายด้านหนึ่ง หากคุณหยิบปลาย Slinky ที่ว่างขึ้นมาแล้วเคลื่อนขึ้นและลงอย่างรวดเร็ว คลื่นจะเคลื่อนที่ไปตามความยาวของสปริง เมื่อถึงจุดสิ้นสุดของสปริงคงที่ มันจะสะท้อนออกจากพื้นผิวและเดินทางกลับมาหาคุณ สิ่งเดียวกันนี้จะเกิดขึ้นหากคุณดันและดึงปลายสปริงด้านหนึ่ง ทำให้เกิดคลื่นตามยาว

สุดท้าย เมื่อคลื่นเสียงสะท้อนออกจากพื้นผิว ปฏิกิริยาระหว่างการบีบอัดและการแรกลับทำให้เกิดการรบกวน การกดทับที่พบกับการกดทับแบบอื่นๆ จะขยายซึ่งกันและกัน และการกดที่ตรงกับการกดที่ไม่ค่อยพบจะทำให้เกิดความสมดุลระหว่างกัน บางครั้ง การสะท้อนและการรบกวนสามารถรวมกันเพื่อสร้างคลื่นนิ่ง คลื่นนิ่งดูเหมือนจะเคลื่อนไปมาหรือสั่นสะเทือนเป็นส่วนๆ แทนที่จะเดินทางจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง ภาพมายาของความนิ่งนี้เป็นสิ่งที่ทำให้คลื่นนิ่งเป็นชื่อของพวกเขา

คลื่นเสียงที่ยืนอยู่ได้กำหนดโหนดหรือพื้นที่ที่มีความดันต่ำสุด และ แอน ติโนด หรือพื้นที่ที่มีแรงดันสูงสุด โหนดของคลื่นนิ่งเป็นหัวใจสำคัญของการลอยแบบอะคูสติก ลองนึกภาพแม่น้ำที่มีโขดหินและแก่ง น้ำนิ่งในบางส่วนของแม่น้ำ และบางช่วงก็ปั่นป่วน เศษขยะและโฟมที่ลอยอยู่จะสะสมในส่วนที่สงบของแม่น้ำ เพื่อให้วัตถุที่ลอยอยู่นิ่งอยู่ในส่วนที่เคลื่อนที่เร็วของแม่น้ำ จะต้องทำการทอดสมอหรือขับเคลื่อนไปตามกระแสน้ำ นี่คือสิ่งที่เครื่องช่วยหายใจแบบอะคูสติกทำโดยพื้นฐานแล้วโดยใช้เสียงที่เคลื่อนที่ผ่านแก๊สแทนน้ำ

การวางรีเฟลกเตอร์ให้ห่างจากทรานสดิวเซอร์อย่างเหมาะสม เครื่องช่วยลอยแบบอะคูสติกจะสร้างคลื่นนิ่ง เมื่อทิศทางของคลื่นขนานกับแรงดึงของแรงโน้มถ่วง ส่วนของคลื่นนิ่งจะมีแรงดันลงคงที่ ส่วนส่วนอื่นๆ จะมีแรงดันขึ้นคงที่ โหนดมีแรงกดน้อยมาก

ในอวกาศซึ่งมีแรงโน้มถ่วงน้อย อนุภาคที่ลอยอยู่จะรวมตัวกันที่โหนดของคลื่นนิ่ง ซึ่งสงบและนิ่ง บนโลก วัตถุจะรวมตัวกันอยู่ใต้โหนด โดยที่ความดันการแผ่รังสีอะคูสติกหรือปริมาณความดันที่คลื่นเสียงสามารถกระทำได้บนพื้นผิว จะปรับสมดุลแรงดึงของแรงโน้มถ่วง

ต้องใช้มากกว่าแค่คลื่นเสียงธรรมดาในการส่งแรงดันนี้ เราจะมาดูความพิเศษของคลื่นเสียงในตัวลอยแบบอะคูสติกในหัวข้อถัดไป

การใช้งานอื่นสำหรับเสียงไม่เชิงเส้น

ขั้นตอนทางการแพทย์หลายอย่างขึ้นอยู่กับอะคูสติกแบบไม่เชิงเส้น ตัวอย่างเช่น การ ถ่ายภาพ อัลตราซาวนด์ใช้เอฟเฟกต์แบบไม่เชิงเส้นเพื่อให้แพทย์ตรวจทารกในครรภ์หรือดูอวัยวะภายในได้ คลื่นอัลตราซาวนด์ความเข้มสูงยังสามารถบดนิ่วในไตกัดกร่อนบาดแผลภายใน และทำลายเนื้องอกได้

คลื่นนิ่งธรรมดาสามารถค่อนข้างทรงพลัง ตัวอย่างเช่น คลื่นนิ่งในท่ออากาศอาจทำให้ฝุ่นสะสมในรูปแบบที่สอดคล้องกับโหนดของคลื่น คลื่นนิ่งที่สะท้อนผ่านห้องอาจทำให้วัตถุในเส้นทางสั่นสะเทือนได้ คลื่นนิ่งความถี่ต่ำอาจทำให้ผู้คนรู้สึกประหม่าหรือสับสน ในบางกรณี นักวิจัยพบว่าพวกเขาอยู่ในอาคารที่ผู้คนรายงานว่าถูกหลอกหลอน

แต่ความสำเร็จเหล่านี้เป็นมันฝรั่งขนาดเล็กเมื่อเทียบกับการลอยแบบอะคูสติก ใช้ความพยายามน้อยกว่ามากในการทำให้ฝุ่นเกาะหรือทำให้กระจกแตก มากกว่าที่จะยกสิ่งของขึ้นจากพื้น คลื่นเสียงธรรมดาถูกจำกัดโดยธรรมชาติเชิงเส้น ของพวกมัน การเพิ่มแอมพลิจูดของคลื่นจะทำให้เสียงนั้นดังขึ้น แต่จะไม่ส่งผลต่อรูปร่างของคลื่นหรือทำให้มีพละกำลังมากขึ้น

อย่างไรก็ตาม เสียงที่รุนแรงมาก เช่น เสียงที่ทำให้หูของมนุษย์เจ็บปวด มักจะ ไม่ เป็นเชิงเส้น พวกมันสามารถทำให้เกิดการตอบสนองขนาดใหญ่อย่างไม่สมส่วนในสารที่พวกมันเดินทางผ่าน ผลกระทบที่ไม่เป็นเชิงเส้นบางประการ ได้แก่ :

อะคูสติกแบบไม่เชิงเส้นเป็นเขตข้อมูลที่ซับซ้อน และปรากฏการณ์ทางกายภาพที่ทำให้เกิดผลกระทบเหล่านี้อาจเข้าใจได้ยาก แต่โดยทั่วไปแล้ว เอฟเฟกต์แบบไม่เชิงเส้นสามารถรวมกันเพื่อสร้างเสียงที่เข้มข้น มีพลังมากกว่าเสียงที่เงียบกว่ามาก เป็นเพราะผลกระทบเหล่านี้ที่ความดันการแผ่รังสีอะคูสติกของคลื่นจะแข็งแกร่งพอที่จะทำให้แรงโน้มถ่วงสมดุล เสียงที่เข้มข้นเป็นหัวใจสำคัญของการลอยแบบอะคูสติก ทรานสดิวเซอร์ในตัวลิฟเตอร์จำนวนมากสร้างเสียงที่เกิน 150 เดซิเบล (dB ) การสนทนาปกติคือประมาณ 60 เดซิเบล และไนท์คลับที่ดังอยู่ใกล้ 110 เดซิเบล

การลอยตัวของวัตถุด้วยเสียงนั้นไม่ใช่เรื่องง่ายอย่างการเล็งหัวโซน่าร์พลังสูงไปที่รีเฟลกเตอร์ นักวิทยาศาสตร์ยังต้องใช้เสียงที่มีความถี่ที่ถูกต้องเพื่อสร้างคลื่นนิ่งที่ต้องการ ทุกความถี่สามารถสร้างเอฟเฟกต์ที่ไม่เป็นเชิงเส้นในระดับเสียงที่เหมาะสม แต่ระบบส่วนใหญ่ใช้คลื่นอัลตราโซนิกซึ่งมีระดับเสียงสูงเกินไปสำหรับคนที่จะได้ยิน นอกจากความถี่และปริมาตรของคลื่นแล้ว นักวิจัยยังต้องใส่ใจกับปัจจัยอื่นๆ อีกหลายประการ:

การดำเนินการนี้อาจดูเหมือนต้องใช้ความพยายามอย่างมากในการระงับวัตถุขนาดเล็กให้อยู่ห่างจากพื้นผิวไม่กี่เซนติเมตร การลอยวัตถุขนาดเล็ก - หรือแม้แต่สัตว์ขนาดเล็ก - ระยะทางสั้น ๆ อาจฟังดูเหมือนเป็นการฝึกฝนที่ค่อนข้างไร้ประโยชน์ อย่างไรก็ตาม การลอยแบบอะคูสติกมีประโยชน์หลายประการ ทั้งบนพื้นดินและในอวกาศ นี่คือบางส่วน:

นักวิจัยยังคงพัฒนาการตั้งค่าใหม่สำหรับระบบการลอยตัวและแอพพลิเคชั่นใหม่สำหรับการลอยแบบอะคูสติก หากต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับการวิจัย เสียง และหัวข้อที่เกี่ยวข้อง โปรดดูลิงก์ในหน้าถัดไป

การตั้งค่า Levitator อื่นๆ

แม้ว่าเครื่องลอยตัวที่มีทรานสดิวเซอร์หนึ่งตัวและตัวสะท้อนแสงหนึ่งตัวสามารถระงับวัตถุได้ แต่การตั้งค่าบางอย่างสามารถเพิ่มความเสถียรหรือทำให้เคลื่อนไหวได้ ตัวอย่างเช่น เครื่องลิฟเตอร์บางตัวมีทรานสดิวเซอร์และรีเฟลกเตอร์สามคู่ ซึ่งจัดวางตามแกน X, Y และ Z บางรุ่นมีเครื่องส่งขนาดใหญ่หนึ่งเครื่องและแผ่นสะท้อนแสงขนาดเล็กที่เคลื่อนที่ได้หนึ่งเครื่อง วัตถุที่แขวนลอยจะเคลื่อนที่เมื่อตัวสะท้อนแสงเคลื่อนที่

บทความที่เกี่ยวข้อง

ลิงค์ที่ยอดเยี่ยมเพิ่มเติม