声悬浮是什么?

轻轻盘旋在半空中的概念是一个令人兴奋的一个。你可以远距离旅行很少或根本没有努力,参观访问的地方,或者只是坐下来,放松点!人们一直在思考悬浮自己或对象很长一段时间,但这些想法的可能似乎仍然很长一段路。电影中悬浮也很受欢迎,通常没有解释它是如何工作的。有些人声称这个看似神奇的力量,但这些说法并没有站起来的科学调查。然而,声悬浮,这意味着在空中使用声波持有对象,是一个科学事实。本文描述了声悬浮是如何工作的,可能现在和将来。

声音是由振动和产生的能量波动。通过空气振动旅行我们的耳朵。较强的空气分子的振动,声音越响。声波带部队,虽然这些通常感觉太小了。这种效应的一个极端是爆炸。爆破力是由激波,这是一个非常高的振幅声波。这告诉我们,声波可以携带在空中部队,这些部队可以相当大。你可以想象,这些部队将作用于任何材料,包括生物。但是我们如何利用这种力量在一个安全的和可控的方式?

喇叭声音的来源,我们都熟悉。如果我们能找到一个足够强大的扬声器,它能帮助我们实现悬浮?答案是是的一部分,一部分不!是的,在一个强大的扬声器可以施加一个力一个对象放置在它前面。不,在一个扬声器会提供推力,和对象将会控制不住地向前。稳定悬浮,关键是使用大量的喇叭和声音的结合在一起。

一组喇叭安排结合他们的声音叫的影响数组(图1)。我们必须仔细地控制声音来自每个扬声器的时机。如果我们得到这个时机,声波会形成的模式响亮的声悬浮所需和安静的地区。这个声音模式的关键因素是一个安静的区域对象将坐着响亮的区域,周围的物体,像笼子里的响亮的声音。如果对象试图移动,它是推迟的声音安静的地区。

哪怕只是轻的物体,我们需要非常响亮的声音。声音的响度测量分贝。正常的讲话是在60分贝,大声的摇滚音乐140分贝,火箭在发射180分贝。悬浮非常光的东西开始在145分贝,周围的声音也就是高于响度级称为痛阈。在这个响度,声音不仅会大声,但痛苦的和潜在的破坏性的耳朵!解决方案是使用超声波,这是声音的音调太高人类听;虽然动物,如猫和狗能听到它。即使我们不能听到它,超声波还包含能量振动空气分子的形式,可用于悬浮(图2)。

可以用于悬浮磁铁吗?

当你使用一个磁体,你很快就会发现,部队可应用于某些金属物体的距离。磁铁能吸引某些金属难以抗拒的力量。在每只手举行一个磁铁,然后将他们聚集在一起,你真的了解这个力。科学家发现,这些可以使用磁力使物体悬浮,但是它只作用于对象由磁性材料,如铁。正常的部队生物磁铁不能适用。然而,如果磁铁的强度非常高,被称为产生影响抗磁性悬浮可能发生和作用于生物。在抗磁性悬浮磁铁的力量是如此之高,以至于它使水分子在生物伸展而变成微小磁铁。微小的磁化水分子可以被原来的磁铁。图2显示了一个著名的实验中,举行了20-millimeter-long青蛙使用抗磁性悬浮在半空中[1]。但是大量的权力(足够的大约500个家庭!)是需要力量的磁铁。

很难做出一个声学Levitator吗?

这可能令你惊讶的是,您可以构建自己的声levitator在家。一组研究人员书面指示,使视频解释步骤(2- - - - - -4]。所需的主要部分是喇叭,一个放大器,信号发生器(图3)。这些部分组成一个电台或任何音响系统。首先,信号发生器使波作为电信号。信号受到美联储放大器和扬声器。如果电信号增加,来自扬声器音量增加。这是当你把汽车收音机的音量。

中使用的喇叭levitator有点特别,因为他们发射超声波。他们最初是作为汽车停车传感器,但是我们重新超声波扬声器。如果我们足够的连接在一起,给他们足够强大的电子信号,我们可以创建声音足够响亮的悬浮。本实验使用超声波,所以超出人类能听到。这使得实验似乎安静的人类。但是,在悬浮的地方发生,空气分子剧烈晃动起来。

在构建levitator时,重要的是要得到正确的模式的安静和响亮的地区。自建levitator,这是通过安排在两个碗,喇叭的能量集中于一点的。当两碗面对彼此,一个安静而响亮的声音形成的重复模式。这就是所谓的驻波,它形成波见面时,这一过程被称为混合在一起干扰。您可以创建一个驻波自己摇跳绳或紧身的春天。在特定的振动速度,你看到一个固定模式的高振动部件和固定部件。这种模式正是需要悬浮,对象是悬浮在任何安静的地区。

声悬浮的应用是什么?

到目前为止,科学家和工程师声悬浮感兴趣把他们的大部分努力为悬浮对象只有几毫米大小,如昆虫或电子部件。昆虫和其他生物让我们仔细研究他们在显微镜下不碰他们,这是很重要的,如果他们是非常微妙的。我们也可以漂浮的小部件用于构建一个移动电话,使用悬浮装置来接他们,他们从一个地方移动到另一个,就像一个机器人的手臂。

声悬浮也可以用来操纵更小的东西,比如活细胞。这些设备正在使用像微观触手。一个特别令人兴奋的应用程序是在组织工程中,科学家们正试图找到方法的重建皮肤或肌肉。在这种情况下,声学悬浮装置是用于细胞排列成特定的模式。细胞最近被组装成线,形成一个新的块肌肉(5]。肌肉生长在这新方法被证明是比肌肉生长与任何其他已知的实验室方法。

声悬浮的未来

令人兴奋的发现可以预计在未来几年在声学领域的悬浮。既然声悬浮已经用于制造简单的组织如肌肉,下一步是使用它来组装更复杂的结构,如人造心脏。这样的想法需要工程师和医学研究人员紧密合作。

什么可能悬浮而言更大的对象?可能漂浮人类究竟有无可能?虽然难以置信,悬浮的人类是可能的理论我们只需要产生足够响亮的声音在一个人体大小的区域。计算表明,有史以来最大的喇叭会允许我们漂浮青蛙。没有理由,即使声音喇叭不可能,考虑到将和钱!如果可能的话,将你像悬浮?

各种各样的小昆虫,甚至鱼一直在听觉上悬浮。他们也在显微镜下仔细观察,发现安然无恙。漂浮术更大的对象,需要更响亮的声音,这意味着更多的能量。危险在于,能量必须去某个地方,它可以吸收的对象或对象周围的空气。所有这些能源可能导致戏剧性和快速加热,这可能是有害的。除了这个加热的危险,这样的响亮的声音对生物的影响是未知的。因此,尽管声悬浮的人类是可能的在理论上之前,仍然有工作要做,我们可以做到安全。

术语表

声悬浮:↑使用高振幅声波来克服重力,物体在半空中。

数组:↑许多源一起使用来创建一个组合的效果。这个词适用于任何能源,但在这里,我们使用它来意味着喇叭的集合,每个贡献点创建一个响亮的声音。

分贝:↑国际计量单位对声音响度。例如,正常的交谈是60 dB,一阵警笛声是120分贝和烟花或非常大声的音乐是140分贝。

超声波:↑声音在音高高于20 kHz。这是典型的上限的听力健康的成年人。许多动物如猫、蝙蝠、昆虫和海豚能听到这些声音。

抗磁性悬浮:↑使用很强的磁场磁化材料,然后让他们在半空中。这种效应被用来漂浮生物,比如小青蛙。

驻波:↑一波,高、低振幅的一个固定的模式。这可以被摇晃上下紧身在正确的速度。您将会看到一系列的点,它们之间的时髦是静止的和其他点紧身正在疯狂的地方。

干扰:↑两个或两个以上的结果,任何类型的混合。两块石头在池塘里。圆形动摇波将展开。混合时,它被称为干扰。

的利益冲突

作者说,这项研究是在没有进行任何商业或金融关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

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引用

[1]↑浆果,m V。海姆,a . k . 1997。飞行的青蛙和levitrons。欧元J。18:307-13。0143 - 0807/18/4/012 doi: 10.1088 /

[2]↑Marzo,。自己做声学Levitator指令。网上:https://www.instructables.com/Acoustic-Levitator/

[3]↑Marzo,。巴恩斯,。时候,b . w . 2017。TinyLev:多发射极单轴声levitator。Sci Instru牧师。88:085105。doi: 10.1063/1.4989995

[4]↑Marzo,。Caleap, M。时候,b . w . 2018。声虚拟漩涡与可调轨道角动量米氏粒子的捕获。物理评论。120:044301。doi: 10.1103 / PhysRevLett.120.044301

[5]↑阿姆斯特朗,j·p·K。Puetzer, j·L。Serio,。Guex, a G。Kapnisi, M。Breant,。,et al。(2018)。使用声学工程各向异性肌肉组织细胞模式。难以板牙。30:1802649。doi: 10.1002 / adma.201802649