音響浮遊

音響浮上は、高強度音波からの音響放射圧を利用して、重力に逆らって物質を空中に浮かせる方法です。^{[1] [2]}

これは音響ピンセットと同じ原理で、音響放射力を利用して動作します。しかし、音響ピンセットは一般的に流体媒体で動作し、重力の影響を受けにくい小型デバイスですが、音響浮上は主に重力を克服することに重点が置かれています。技術的には動的音響浮上は音響泳動の一種ですが、この用語は小型音響ピンセットに関連付けられることが多いです。^[3]

通常、超音波周波数 の音波が使用されるため^[4]、人間が聞き取れる音は発生しません。これは主に、重力に対抗するために必要な音の​​強度が高いためです。ただし、可聴周波数が使用されるケースもあります。^[5]

音を生成する技術はさまざまですが、最も一般的なのは、目的の周波数で高振幅出力を効率的に生成できる 圧電トランスデューサーを使用することです。

浮上は、マイクロチップやその他産業における小型で繊細な物体の無容器処理に有望な方法です。無容器処理は、非常に高純度の材料や、容器内では起こりにくい化学反応を必要とする用途にも使用できます。この方法は、電磁浮上などの他の方法よりも制御が難しいですが、非導電性材料を浮上させることができるという利点があります。

音響浮上はもともと静的であったが、静止した浮上から、製薬業界や電子業界で役立つ浮遊物体の動的制御へと進歩した。^{[6] [7]}この動的制御は、チェス盤のような正方形の音響エミッターの配列を備えたプロトタイプで初めて実現された。このエミッターは、1 つの正方形から放出される音の強度をゆっくりと下げ、もう 1 つの正方形から放出される音の強度を上げることで物体を 1 つの正方形から別の正方形へ移動させ、物体を事実上「下り坂」に移動させる。^[7]最近では、フェーズド アレイ トランスデューサー ボードの開発により、複数の粒子や液滴を一度にさらに任意に動的に制御できるようになった。^{[8] [9] [10]}

最近の進歩により、この技術の価格も大幅に下がった。「TinyLev」は、広く入手可能な低コストの既製部品と単一の3Dプリントフレームで構築できる音響浮上装置である。^{[11] [12]}

音響浮揚の可能性が初めて実証されたのは、 1866 年のクントの管実験でした。共鳴室での実験では、音響放射力によって粒子が定在波の節に集まることが実証されました。ただし、最初の実験は、ガス内の 音の波長と速度を計算する目的で実施されました。

最初の浮揚は1933年にビュックスとミュラーによって実証され、彼らはアルコール液滴を水晶と反射板の間に浮かせました。^[13]次の進歩はヒラリー・セントクレアによるもので、彼女は主に鉱山での粉塵粒子の凝集への応用を目的とした音響放射力に興味を持っていました。^{[14] [15]}彼は浮揚に必要な励起振幅を作り出す最初の電磁装置を作成し、^[16]その後、コインを含むより大きく重い物体を浮揚させました。^[14]

テイラー・ワンは、無重力状態での封じ込め機構として音響放射力を有効に活用したチームのリーダーであり、スペースシャトルチャレンジャー号のミッションSTS-51-Bで装置を持ち込み、微小重力下での浮遊液滴の挙動を調査した。^{[17] 1992年には米国微小重力実験室1号（USML-1）で、 [18]} 1995年にはUSML-2でさらなる実験が行われた。 ^[19]

少なくとも1970年代から2017年まで^[20]最も一般的な浮上装置はランジュバンホーン^[21]で、圧電アクチュエータ、金属製送信機、反射器で構成されています。しかし、音源と反射器の間の距離は波長の正確な倍数である必要があったため、送信機と反射器の間の距離を正確に調整する必要がありました。これは思ったよりも難しいことです。なぜなら、波長は音速によって変化し、音速は温度や高度などの環境要因によって変化するからです。このような装置については、非接触化学^{[22] [23]}や小動物の浮上^[24]など、重要な研究が行われてきました。また、これらの装置のいくつかを組み合わせて、1つの音源からの音の強度を下げながら隣接する音源の音の強度を上げ、粒子が音響ポテンシャルフィールドで「下り坂」を移動できるようにすることで、連続的な平面運動を作り出すこともできました。^[7]

多数の小さな個別の圧電トランスデューサーを採用した新世代の音響浮上装置が、最近、より一般的になってきている。^[25]これらの浮上装置の最初のものは、TinyLev と呼ばれる単軸定在波浮上装置であった。^{[12] [11]}ランジュバンホーンとの主な違いは、（ソースとリフレクターではなく）上部と下部の両方からのソースを使用することと、単一の圧電素子ではなく、並列励起の多数の小さなトランスデューサーを使用することである。単一のソースとリフレクターではなく、2 つの反対方向の進行波を使用することで、上部と下部の距離が波長の正確な倍数でなくても浮上が可能になった。これにより、操作前に調整を必要としない、より堅牢なシステムが実現した。複数の小さなソースの使用は、当初はコスト削減策として設計されたが、後述するフェーズドアレイ浮上への道も開いた。トランスデューサーの位置と焦点を合わせるフレームに3Dプリントされた部品を使用し、信号発生器としてArduinoを使用することで、アクセス性を高めながらコストを大幅に削減しました。^[26]このデバイスの主な目的は技術の民主化であったため、コストの削減は特に重要でした。^[27]

この新しいアプローチは、浮上のためのフェーズドアレイ超音波トランスデューサ^{[9] [8]} (しばしば PAT と呼ばれる) の使用における重要な開発にもつながりました。フェーズドアレイ超音波トランスデューサは、単一の望ましい音場を作り出すために制御される超音波スピーカーの集合体です。これは、各出力間の相対位相(つまり遅延時間) を制御し、場合によっては相対出力の大きさを制御することによって実現されます。非破壊検査やイメージング分野の同等の装置とは異なり、これらのアレイは、エネルギーの短いバーストではなく、連続出力を使用します。これにより、片側浮上^[9]や、多数の粒子の同時操作が可能になりました。^[8]

人気が高まっているもう 1 つのアプローチは、3D プリントされたコンポーネントを使用して浮上に必要な位相遅延を適用することです。これは PAT と同様の効果を生み出しますが、フェーズド アレイよりも高い空間解像度を持つことができるという利点があり、より複雑なフィールドを形成できます。^[28]これらは、音響ホログラム^[29] 、メタサーフェス^[30] 、遅延線^[31]、またはメタマテリアル [32] と呼ばれることもあります。 [ ^{33 ]}用語の違いは、主に設計手法の起源となった分野に基づいていますが、すべての手法の背後にある基本的な考え方は基本的に同じです。これらは、PAT と組み合わせて使用​​して、動的な再構成とより高い音場解像度を得ることもできます。^{[28]もう 1 つの利点はコストの削減です。その顕著な例は、低コストの超音波}トラクター ビーム^[34]で、これについては Instructables が作成されました。^[35]

多くの新しい操作技術が開発されているにもかかわらず、ランジュバンホーンは今でも研究に使用されています。形状が単純でシミュレーションが容易なため^[36]、実験要因の制御が容易なため、浮遊物体の動力学の研究によく使用されています。^[37]

レイリー卿は1900年代初頭に音波に関連する圧力の理論を展開したが^{[38] [39]} 、この研究は主に音波に含まれる理論的な力とエネルギーに基づいていた。粒子の最初の分析は1934年にLVキングによって行われ、音響場における非圧縮性粒子にかかる力が計算された。^[40]これに続いて吉岡とカウィサマが平面音波における圧縮性粒子にかかる力を計算した。^[41]これに続いてレフ・P・ゴルコフの研究が行われ、この場がゴルコフポテンシャルに一般化され^[42]、音響浮上のための数学的基礎は今日でも広く使用されている。

ゴルコフポテンシャルは、その仮定により、半径が波長よりも大幅に小さい球体に限定されており、^[43]典型的な限界は波長の10分の1であると考えられています。^{[44] [45]}単純な形状に対してはさらなる解析的解法が利用可能ですが、より大きな物体や非球形の物体に拡張するには、数値的手法、特に有限要素法^{[46] [36]}または境界要素法^{[47] [48] [49]}を使用するのが一般的です。音の放射圧は、物体の表面のサブ波長パターン化によっても制御できます。^[50]

音響浮上は大きく5つのカテゴリーに分けられます。^[1]

1. 定在波浮上:粒子は、音源と反射器 (ランジュバンホルンの場合) または 2 組の音源 (TinyLev の場合) によって形成される定在波の節に捕捉されます。これは、粒子が波長に比べて小さいこと (通常は 10% 以下) に依存しており、最大浮上重量は通常数ミリグラムのオーダーです。 ^[1]また、粒子が波長に比べて小さすぎる場合は、動作が異なり、腹に移動することに注意してください。^[51]通常、これらの浮上装置は単軸であり、すべての粒子が浮上装置の単一の中心軸に沿って捕捉されます。ただし、PAT を使用すると、動的にすることもできます。これは、それを形成する 2 つの進行波からの建設的干渉により、波長よりも長い距離で浮上するための最も強力な技術です。遠距離における単一ビーム浮上による力は、単純な定在波の30倍弱い。^[52]

   

2. 遠距離音響浮上:波長より大きい物体は、浮上する物体のサイズと形状に合わせた場を生成することで浮上します。これにより、波長より大きい物体を、発生源から波長よりも離れた場所に浮上させることができます。ただし、物体は高密度であってはなりません。初期のアプローチでは、これは単純な垂直定在波のディスク^[20]または球体を安定させるための 3 つのトランスデューサ配置でした。^[54]しかし、最近の開発では、PAT と境界要素法を使用して、はるかに大きな物体をはるかに長い距離に浮上させています。この技術で持ち上げられた最も重い物体は、質量 0.6g の直径 30mm の発泡ポリスチレン球です。 [ ⁴⁸ ]対角長 50mm、質量 0.5g の発泡ポリスチレン八面体は、物体の上下に PAT を使用してこの技術で音響浮上させた最大の物体です。^[48]
3. シングルビーム浮上:片側からのみアクセス可能な、光源から単一波長よりも離れた距離にある物体の浮上。この場合、トラップは特別に設計する必要があり、通常はツイントラップまたはボルテックストラップの形をとりますが、ボトルトラップと呼ばれる3番目のトラップタイプも可能です。ツイントラップはこれらの可能性の中で最も単純で、粒子の両側に2つの高圧「ピンセット」を形成します。^[9]幾何学的集束を使用する場合、これを使用して、一般的に入手可能な部品でトラクタービームを構築できます。^{[31] [35]}ボルテックストラップは、中央に低圧の「穴」を作成します。より複雑な位相場が必要ですが、ツイントラップとは異なり、波長よりも大きな物体を持ち上げるために使用できます。^{[53] 2019年にトラクタービームで持ち上げられた史上最大の物体が}ブリストル大学で行われ、 ^[55] BBC Earthが制作したYouTube Originalsのプレゼンター、リック・エドワーズによる「The Edge of Science」で紹介されました。それは直径19.53mmの発泡スチロールボールでした。
4. 近接場浮上：大きな平面状の物体をトランスデューサーの表面に非常に近づけて配置し、反射板として機能させて、非常に薄い空気の膜の上に浮上させます。この技術は数キログラムの重量を持ち上げることができますが、表面から数百マイクロメートル以上高く上げることはできません。^[56]そのため、人間のスケールでは、浮上というよりも摩擦の大幅な減少として現れます。
5. 反転した近接場音響浮上：特定の条件下では、近接場浮上を生み出す反発力が反転し、引力になります。この場合、トランスデューサーを下向きに向けると、セットアップによって物体が浮上し、その下に浮かび上がります。物体は数十マイクロメートルの距離で浮上し、ミリグラム規模の物体が浮上しました。現在の研究では、ディスクの等価半径が波長の38％未満で発生することが示唆されています^[46]

これらの大まかな分類は、浮上の種類を分類する一つの方法ですが、決定的なものではありません。定在波浮上とツイントラップ（通常は単一ビーム浮上技術）を組み合わせることで、軸対称でない物体を安定して浮上させるなど、より高い能力を得るための技術の組み合わせに関するさらなる研究が行われています。 ^{[52]また、これらの技術を3Dプリントされた位相シフトコンポーネントと組み合わせて、受動的なフィールド形成[29] [31] [32]}やより高い空間分解能などの利点を得るための研究もかなり行われています。 ^{[29] [28]制御技術にも大きなばらつきがあります。PATは一般的ですが、}クラドニプレートを単一の定在波源として使用し、周波数を変更することで浮上した物体を操作できることも示されています。 ^[57]

音響浮上の主な用途は、科学と産業であると考えられます。

音響浮遊は、液体の蒸発と粒子の形成を研究するための液滴乾燥実験に容器のない環境を提供します。^{[59] [60]} 液滴の非接触操作は、小規模な非接触化学を約束するため、大きな関心を集めています。 ^[21] PATを使用した複数の液滴の混合は、容器から隔離された状態で化学反応を研究できるため、特に注目されています。^{[61] [10]}また、浮遊した小さな液滴をタンパク質結晶の容器として使用し、室温で高スループットで原子分解能で結晶構造を決定するX線回折実験にも関心があります。^{[62] [63]}

小さな生き物の空中浮遊も研究されており、通常空気中に存在する動物の生命力には影響がなかった。^[24]将来的には、動物自体を研究するためのツールとして使用される可能性がある。

非接触組立の分野では活発な研究が行われています。表面実装電気部品の浮上が実証されており^{[12] [46]}、音響と磁場を組み合わせたマイクロアセンブリも実証されています。^[64]また、浮上しながらの3Dプリントにも商業的な関心が寄せられており、ボーイング社がこのコンセプトの特許を申請しています。^[65]

音響浮遊は、光を粒子に投影し、粒子が経路に沿って移動して目が処理できるよりも速く画像を作成するボリュームディスプレイを作成する技術としても提案されています。これはすでに可能であることが証明されており^[66]、同じPATからのオーディオおよび触覚フィードバックと統合されています。^[67]

• 音響ピンセット
• 光浮上
• 放射圧
• 静電浮上
• 磁気浮上
• 空気力学的浮上
• 浮力

• ライブサイエンス – 科学者が小動物を空中浮遊させる
• 音響浮遊装置を作りました！液体を空中に浮かせる -音響浮遊に関するPhysics Girlのビデオ