|
Хозяин Ривербэнкских лабораторий Джордж Фабиан покинул этот мир в
1936 году, совсем немного не дожив до появления реальных устройств
акустической левитации. Первые такие аппараты, подвешивающие небольшие
объекты в воздухе с помощью силы звука, начали появляться уже в 1940-е
годы, однако еще много лет после этого экспериментально подтвержденный
феномен продолжал оставаться чем-то вроде занятного фокуса на периферии
науки. Лишь к концу XX века явлением заинтересовались всерьез, найдя для
акустической левитации несколько по-настоящему полезных практических
приложений в радиоэлектронике, химии и космических исследованиях.
Для нынешней деятельности Ривербэнка, где по сию пору базируется
солидная – заложенная еще Уоллесом Сэбином – лаборатория архитектурной
акустики, проблемы левитации, правда, уже как-то совершенно неактуальны.
Но, тем не менее, уместно отметить, что в период 1917-1918 годов
непосредственным руководством работ по сооружению акустической
лаборатории занимался здесь Берт Эйзенхаур. Тот самый инженер из Чикаго,
что был приглашен Фабианом в Ривербэнк для конструирования бэконовской
машины левитации.
Продуктивное общение с Сэбином и собственный интерес Эйзенхаура к
физике звука в конечном счете привели к тому, что к 1923 году он стал
главным инженером и изобретателем Ривербэнка. А развернутые в
лабораториях исследования, так или иначе связанные с акустикой,
оказались наиболее востребованными американской индустрией и постепенно
стали играть здесь доминирующую роль.
Для новых технологий радиоэлектроники, получивших в послевоенные годы
быстрое развитие, остро требовались стабильные и высокоточные источники
аудиочастот, разрабатывавшиеся в Ривербэнке. Изобретенные Эйзенхауром
устройства генерации и стабилизации колебаний, к примеру, заложили
основы для первой общенациональной системы фототелеграфа в США, широко
использовавшейся службами новостей для передачи изображений.
Конструктивно близкие устройства также стали применять в геофизических
исследованиях и других областях, где требовалась точная настройка при
синхронизации сигналов для выстраивания картинок сканирования.
*
Все эти исторические подробности приводятся здесь, главным образом,
для того, чтобы показать, насколько близко в Ривербэнке подошли к
реальному воспроизведению явления акустической левитации. Вся суть
которого сводится к аккуратному использованию стоячих звуковых волн,
возникающих в нужных местах акустического поля при грамотном построении
интерференционной картины.
Для стабильного порождения звуковых колебаний намного лучше, чем
струны бэконовской машины, подходят электроакустические излучатели типа
громкоговорителя. Поэтому современный акустический левитатор обычно
построен на основе излучателя-трансдюсера, преобразующего электрические
колебания в акустические или ультразвуковые с помощью вибрирующей
пластины. Второй важной частью левитатора является другая
пластина-рефлектор, необходимая для отражения звуковых волн и
формирования интерференции, благодаря которой объекты можно удерживать
парящими в воздухе.
Важной особенностью звука является то, что в основе своей это
продольные волны давления. В случае продольной волны движение точек
среды происходит параллельно направлению распространения, а не
перпендикулярно, как в поперечных волнах. Можно говорить, что продольные
волны – это колебания плотности среды. Поэтому визуально их удобно
представлять в виде сжатий и растяжений, распространяющихся по цилиндру
спиральной пружины. Кроме того, максимумы и минимумы амплитуды
продольных колебаний часто изображают с помощью более наглядных
поперечных волн, благо физика обоих явлений в сути своей одна и та же.
Точно так же, как волны на поверхности воды, отраженные от
препятствий звуковые волны взаимодействуют с волной исходной и порождают
интерференцию. Только здесь сжатие среды, которое встречается с другим
сжатием, усиливают друг друга, а сжатие, встречающееся с разрежением
среды, уравновешивают друг друга. Если же звук, отражаемый рефлектором,
оказывается согласован с сигналами излучателя, то в интерференционной
картине могут порождаться стоячие волны. Как и в случае поперечных волн,
стоячие звуковые волны имеют так называемые узлы, или области
минимального давления, и антиузлы, иначе именуемые пучностями,
соответствующие областям максимального давления. Именно благодаря узлам
стоячей волны, собственно, и возможен феномен акустической левитации.
**
В наиболее простой конфигурации акустический левитатор состоит из
пары излучателя и отражателя. Обычно рефлектор помещают вертикально над
излучателем, согласовав расстояние с частотой звука, чтобы порождалась
стоячая волна. Распространение звуковых волн в такой установке идет
параллельно направлению силе тяжести. И в разных участках стоячей волны
силы давления действуют либо постоянно вниз, либо постоянно вверх, либо
уравновешивают друг друга в узлах. Понятно, что объект помещенный в
такое силовое поле, естественным образом смещается к ближайшему узлу.
Поскольку на Земле помимо давления звука действует еще и гравитация,
то пойманные в такую ловушку объекты проседают чуть ниже узлов, где
давление акустического излучения уравновешивается силой тяжести. Если же
эксперимент происходит в невесомости или, выражаясь более строго, в
условиях микрогравитации, где-нибудь на борту орбитальной космической
станции, то левитирующие объекты скапливаются непосредственно в узлах
стоячей волны.
В обычных условиях линейной зависимости акустического давления от
амплитуды, т.е. громкости звука, левитировать в узлах стоячих волн могут
лишь чрезвычайно легкие объекты, вроде частичек пыли. Однако в
реальности исследователям удается удерживать парящими в воздухе куда
более крупные предметы массой до нескольких килограмм. Столь
значительное усиление акустического давления оказывается возможным
благодаря явлению резонанса и нелинейным эффектам физики волн. Благодаря
акустическому резонансу под ритмичным воздействием слабых по
отдельности волновых импульсов может происходить постепенная «накачка»
весьма значительной энергии. Похожие принципы лежат в основе лазера, и
на этой же основе – в виде так называемого резонатора Гельмгольца –
работают многие акустические левитаторы.
Список полезных практических приложений, придуманных на сегодняшний
день для акустической левитации, уже достаточно велик. Например, в
химических исследованиях и производстве весьма актуальна проблема так
называемой бесконтейнерной работы с материалами. Некоторые вещества
бывают чрезвычайно едкими или как-то иначе сильно взаимодействующими с
контейнерами, в которые их помещают для химического анализа или
обработки. Поэтому очень кстати оказывается технология, удобно
подвешивающая эти материалы для изучения и манипуляций в акустическом
поле, без всяких рисков едкости и загрязнения от контейнера.
***
Другое полезное приложение – производство миниатюрных электронных
устройств и микрочипов, где ныне практически всегда подразумевается
использование сложных средств механизации и роботехники. При
изготовлении некоторых особо нежных микроскопических устройств
механические манипуляторы роботов оказываются слишком грубыми, поэтому
применяются более продвинутые манипуляторы на основе электромагнитной
или акустической левитации. Управлять полем электромагнитного левитатора
в принципе удобнее и проще, однако акустическая левитация имеет
существенное преимущество в том, что в своей работе не делает никаких
различий между проводящими и непроводящими материалами.
Грамотное управление формой звукового поля в левитаторе дает
множество других новых возможностей в производстве микро- и
наноустройств. Например, левитирующие расплавленные материалы могут
постепенно охлаждаться и затвердевать в заранее заданной форме. В
частности, одна из самых простых и в то же время широко востребованная
форма – геометрически совершенная сфера. Если плотность поля и
поверхностное натяжение материала подобраны правильно, то капли можно
сжимать, превращая сферу в бублик-тороид. Кроме того, правильно
сконфигурированное интерференционное поле может придавать расплавленному
материалу весьма сложную форму, заставляя, к примеру, пластик
распределяться и затвердевать только в нужных областях микрочипа.
Еще одна область приложений, где акустическая левитация оказалась
чрезвычайно полезна – это изучение физики пены. Одну из самых главных
проблем здесь представляет гравитация, которая постоянно оттягивает
жидкость из пены вниз, довольно быстро ее иссушая и по сути уничтожая.
Понятно, что условия микрогравитации, создаваемые в поле акустического
левитатора, существенно продлевают время жизни для помещенной туда пены.
И, соответственно, предоставляют ученым намного более благоприятные
возможности для исследований.
Эксперименты с акустическими левитаторами позволили создать
устройства существенно разных конструкций. Скажем, в конце 1980-х годов
для исследований на борту космического челнока НАСА был сооружен
прозрачный плексигласовый куб, в котором положение левитирующих
предметов управлялось с помощью трех динамиков-излучателей, размещенных
на взаимно-перпендикулярных осях. Отражателями служили стенки ящика, а
каждый из излучателей работал на резонансной частоте куба (600 Гц).
Манипулируя соотношениями амплитуды и фазы сигналов между тремя
динамиками, исследователь управлял точным перемещением подвешиваемых в
пространстве предметов по всем трем осям координат (x,y,z). Среди
аппаратов другой конструкции можно отметить устройство для, так сказать,
мобильной левитации. Здесь имеется один большой излучатель и несколько
маленьких, подвижных отражателей. В едином звуковом поле излучателя
каждый такой отражатель подвешивает собственный объект, который
перемещается в пространстве вместе с движениями рефлектора.
|