Lévitation acoustique - Acoustic levitation

La lévitation acoustique est une méthode pour suspendre la matière dans l'air contre la gravité en utilisant la pression de rayonnement acoustique des ondes sonores de haute intensité .

Il fonctionne sur les mêmes principes que les pincettes acoustiques en exploitant les forces de rayonnement acoustique. Cependant, les pincettes acoustiques sont généralement des dispositifs à petite échelle qui fonctionnent dans un milieu fluide et sont moins affectés par la gravité, alors que la lévitation acoustique vise principalement à surmonter la gravité. La lévitation acoustique techniquement dynamique est une forme d' acoustophorèse , bien que ce terme soit plus communément associé aux pincettes acoustiques à petite échelle.

En règle générale, des ondes sonores à des fréquences ultrasonores sont utilisées, créant ainsi aucun son audible pour les humains. Cela est principalement dû à la forte intensité du son nécessaire pour contrer la gravité. Cependant, il y a eu des cas d'utilisation de fréquences audibles.

Un lévitateur acoustique à ondes stationnaires de type cornet de Langevin au Laboratoire national d'Argonne

Il existe diverses techniques pour générer le son, mais la plus courante est l'utilisation de transducteurs piézoélectriques qui peuvent générer efficacement des sorties de haute amplitude aux fréquences souhaitées.

La lévitation est une méthode prometteuse pour le traitement sans conteneur de puces électroniques et d'autres petits objets délicats dans l'industrie. Le traitement sans conteneur peut également être utilisé pour des applications nécessitant des matériaux de très haute pureté ou des réactions chimiques trop rigoureuses pour se produire dans un conteneur. Cette méthode est plus difficile à contrôler que d'autres comme la lévitation électromagnétique mais a l'avantage de pouvoir faire léviter des matériaux non conducteurs .

Bien qu'à l'origine statique, la lévitation acoustique est passée d'une lévitation immobile au contrôle dynamique d'objets en vol stationnaire, une capacité utile dans les industries pharmaceutique et électronique. Cela a d'abord été réalisé avec un prototype avec un réseau en forme d'échiquier d'émetteurs acoustiques carrés qui déplacent un objet d'un carré à un autre en abaissant lentement l'intensité sonore émise d'un carré tout en augmentant l'intensité sonore de l'autre, permettant à l'objet de voyager pratiquement "en descente". Plus récemment, le développement de cartes transducteurs multiéléments a permis un contrôle dynamique plus arbitraire de plusieurs particules et gouttelettes à la fois.

Les récents progrès ont également vu le prix de la technologie diminuer considérablement. Le "TinyLev" est un lévitateur acoustique qui peut être construit avec des composants prêts à l'emploi largement disponibles et à faible coût, et un seul cadre imprimé en 3D.

Histoire

Expérimental

Un dessin de l' expérience du tube de Kundt . Le mouvement des particules dû aux forces de rayonnement acoustique a été la première démonstration de la possibilité de lévitation acoustique.

La première démonstration de la possibilité de lévitation acoustique a été faite dans les expériences du tube de Kundt en 1866. L'expérience dans une chambre de résonance a démontré que les particules pouvaient être rassemblées aux nœuds d'une onde stationnaire par les forces de rayonnement acoustique. Cependant, l'expérience originale a été menée dans le but de calculer les longueurs d'onde et donc la vitesse du son dans un gaz.

La première lévitation a été démontrée par Bücks et Muller en 1933 qui ont fait léviter des gouttelettes d'alcool entre un cristal de quartz et un réflecteur. L'avancée suivante est venue d'Hilary St Clair, qui s'intéressait aux forces de rayonnement acoustique principalement pour leurs applications sur l'agglomération de particules de poussière à utiliser dans les applications minières. Il a créé le premier appareil électromagnétique pour créer les amplitudes d'excitation nécessaires à la lévitation, puis a continué à faire léviter des objets plus gros et plus lourds, y compris une pièce de monnaie.

Taylor Wang était le chef d'une équipe qui a utilisé de manière significative les forces de rayonnement acoustique comme mécanisme de confinement en apesanteur, prenant un appareil sur la mission STS-51-B de la navette spatiale Challenger pour étudier le comportement des gouttelettes en lévitation en microgravité. . D'autres expériences ont été menées en 1992 à bord du United States Microgravity Laboratory 1 (USML-1), et en 1995 à bord de l'USML-2.

Le lévitateur le plus courant depuis au moins les années 1970 jusqu'en 2017 était le Langevin Horn, composé d'un actionneur piézo-électrique, d'un émetteur en métal et d'un réflecteur. Cependant, cela nécessitait un réglage précis de la distance entre l'émetteur et le réflecteur car la distance entre la source et le réflecteur devait être un multiple exact de la longueur d'onde. C'est plus difficile qu'il n'y paraît car la longueur d'onde varie avec la vitesse du son , qui varie en fonction de facteurs environnementaux tels que la température et l'altitude. Des études importantes ont été réalisées avec de tels dispositifs, notamment sur la chimie sans contact et la lévitation de petits animaux. Un certain nombre d'entre eux ont également été combinés pour créer un mouvement planaire continu en réduisant l'intensité sonore d'une source tout en augmentant celle de la source adjacente, permettant à la particule de se déplacer « en descendant » dans le champ de potentiel acoustique.

Un lévitateur acoustique TinyLev comprenant l'électronique et un diagramme du champ de pression de pointe.

Une nouvelle génération de lévitateurs acoustiques utilisant un grand nombre de petits transducteurs piézoélectriques individuels est récemment devenue plus courante. Le premier de ces lévitateurs était un lévitateur à ondes stationnaires à axe unique appelé TinyLev. Les principales différences avec le Langevin Horn étaient l'utilisation de sources à la fois supérieure et inférieure (plutôt qu'une source et un réflecteur) et l'utilisation d'un grand nombre de petits transducteurs à excitation parallèle, plutôt qu'un seul élément piézoélectrique. L'utilisation de deux ondes progressives opposées, par opposition à une seule source et un réflecteur, signifiait que la lévitation était toujours possible même lorsque la distance entre le haut et le bas n'était pas un multiple précis de la longueur d'onde. Cela a conduit à un système plus robuste qui ne nécessite aucun réglage avant l'opération. L'utilisation de plusieurs petites sources a été initialement conçue comme une mesure de réduction des coûts, mais a également ouvert la porte à la lévitation à commande de phase, discutée ci-dessous. L'utilisation de composants imprimés en 3D pour le cadre qui positionne et concentre les transducteurs et les Arduinos en tant que générateurs de signaux a également considérablement réduit les coûts tout en augmentant l'accessibilité. La réduction des coûts était particulièrement importante car l'objectif principal de cet appareil était la démocratisation de la technologie. .

Cette nouvelle approche a également conduit à des développements importants en utilisant des transducteurs à ultrasons à réseau de phases (souvent appelés PAT) pour la lévitation. Les transducteurs à ultrasons Phased Array sont une collection de haut-parleurs à ultrasons qui sont contrôlés pour créer un seul champ sonore souhaité. Ceci est réalisé en contrôlant la phase relative (c'est-à-dire le temps de retard) entre chaque sortie, et parfois les amplitudes de sortie relatives. Contrairement à leurs homologues dans les domaines des tests non destructifs ou de l' imagerie , ces réseaux utiliseront une sortie continue, par opposition à de courtes rafales d'énergie. Cela a permis la lévitation unilatérale ainsi que la manipulation simultanée d'un grand nombre de particules.

Une autre approche qui gagne en popularité est l'utilisation de composants imprimés en 3D pour appliquer les retards de phase nécessaires à la lévitation, créant un effet similaire aux PAT mais avec l'avantage qu'ils peuvent avoir une résolution spatiale plus élevée que le réseau phasé, permettant plus champs complexes à former. Ceux-ci sont parfois appelés hologrammes acoustiques, métasurfaces, lignes à retard ou métamatériaux. Les différences de termes sont principalement basées sur la zone d'origine de la technique de conception, mais l'idée de base derrière toutes les techniques est essentiellement la même. Ils peuvent également être utilisés en conjonction avec des PAT pour obtenir une reconfigurabilité dynamique et une résolution de champ sonore plus élevée. Un autre avantage est la réduction des coûts, un exemple frappant étant le faisceau tracteur à ultrasons à faible coût pour lequel un instructables a été créé.

Bien que de nombreuses nouvelles techniques de manipulation aient été développées, les cornes de Langevin sont toujours utilisées dans la recherche. Ils sont souvent privilégiés pour la recherche sur la dynamique des objets en lévitation en raison de la simplicité de leur géométrie et de la facilité ultérieure de simulation et de contrôle des facteurs expérimentaux.

Théorique

Lord Rayleigh a développé des théories sur la force de pression associée aux ondes sonores au début des années 1900, mais ce travail était principalement basé sur les forces théoriques et l'énergie contenues dans une onde sonore. La première analyse de particules a été menée par LV King en 1934, qui a calculé la force sur les particules incompressibles dans un champ acoustique. Cela a été suivi par Yosioka et Kawisama, qui ont calculé les forces sur les particules compressibles dans les ondes acoustiques planes. Cela a été suivi par les travaux de Lev P. Gor'kov qui ont généralisé le champ au potentiel de Gor'kov, la base mathématique de la lévitation acoustique qui est encore largement utilisée aujourd'hui.

Le potentiel de Gor'kov est limité par ses hypothèses aux sphères avec un rayon nettement inférieur à la longueur d'onde, la limite typique est considérée comme un dixième de la longueur d'onde. D'autres solutions analytiques sont disponibles pour les géométries simples, cependant, pour s'étendre à des objets plus grands ou non sphériques, il est courant d'utiliser des méthodes numériques, en particulier la méthode des éléments finis ou la méthode des éléments de frontière .

Types de lévitation

La lévitation acoustique peut être divisée en cinq catégories différentes :

  1. Lévitation par ondes stationnaires : Les particules sont piégées aux nœuds d'une onde stationnaire , formées soit d'une source sonore et d'un réflecteur (dans le cas du Langevin Horn) soit de deux ensembles de sources (dans le cas du TinyLev). Cela repose sur le fait que les particules sont petites par rapport à la longueur d'onde, typiquement de l'ordre de 10 % ou moins, et le poids en lévitation maximum est habituellement de l'ordre de quelques milligrammes. Il convient également de noter que si la particule est trop petite par rapport à la longueur d'onde, elle se comportera différemment et se déplacera vers les ventres. Généralement, ces lévitateurs sont à axe unique, ce qui signifie que toutes les particules sont piégées le long d'un seul axe central du lévitateur. Cependant, avec l'utilisation de PAT, ils peuvent également être dynamiques. C'est la technique la plus puissante pour la lévitation à une distance supérieure à une longueur d'onde en raison de l'interférence constructive des deux ondes progressives qui la forment. Les forces de lévitation d'un seul faisceau à distance sont 30 fois plus faibles qu'une simple onde stationnaire.
    Un lévitateur acoustique à faisceau unique utilisant un piège à vortex pour faire léviter une particule de polystyrène expansé approximativement deux fois la taille de la longueur d'onde. Les tourbillons sont alternés rapidement dans la direction pour éviter de faire tourner la particule au point d'instabilité. Ici, 450 transducteurs à 40 kHz sont utilisés.
  2. Lévitation acoustique en champ lointain : les objets plus grands que la longueur d'onde sont mis en lévitation en générant un champ qu'il a adapté à la taille et à la forme de l'objet en lévitation. Cela permet de faire léviter des objets plus grands que la longueur d'onde à des distances supérieures à la longueur d'onde de la source. Cependant, l'objet ne doit pas être de haute densité. Dans les premières approches, il s'agissait d'une simple onde stationnaire verticale pour les disques ou d'un arrangement à trois transducteurs pour stabiliser une sphère. Cependant, des développements récents ont utilisé un PAT et la méthode des éléments de frontière pour faire léviter des objets beaucoup plus gros à des distances beaucoup plus longues. L'objet le plus lourd soulevé par cette technique est une sphère en polystyrène expansé de 30 mm de diamètre et d'une masse de 0,6 g. Un octaèdre en polystyrène expansé d'une longueur diagonale de 50 mm et d'une masse de 0,5 g est le plus grand objet jamais lévité acoustiquement par cette technique en utilisant des PAT au-dessus et au-dessous de l'objet.
  3. Lévitation à faisceau unique : Lévitation d'objets à une distance supérieure à une seule longueur d'onde des sources avec accès uniquement d'un seul côté. Dans ce cas, le piège doit être spécialement conçu et prend généralement la forme d'un piège double ou d'un piège à vortex, bien qu'un troisième type de piège appelé piège à bouteille soit également possible. Le piège double est la plus simple de ces possibilités qui forme deux "pinces" à haute pression de chaque côté de la particule. Si la focalisation géométrique est utilisée, elle peut être utilisée pour construire un faisceau tracteur avec des pièces couramment disponibles. Le piège à vortex crée un "trou" de basse pression au centre. Il nécessite un champ de phase plus complexe mais, contrairement au piège jumeau, peut être utilisé pour soulever des objets plus grands que la longueur d'onde. En 2019, le plus gros objet jamais soulevé par un rayon tracteur a été réalisé à l' Université de Bristol et diffusé sur "The Edge of Science", une production de la BBC Earth pour YouTube Originals par le présentateur Rick Edwards . C'était une boule de polystyrène expansé de 19,53 mm de diamètre.
  4. Lévitation en champ proche : un grand objet plan est placé très près de la surface du transducteur et agit comme un réflecteur, lui permettant de léviter sur une très fine pellicule d'air. Cette technique est capable de soulever plusieurs kilogrammes, mais ne peut pas dépasser des centaines de micromètres au-dessus de la surface. En tant que tel à l'échelle humaine, il apparaît plus comme une énorme réduction de friction que comme une lévitation.
  5. Lévitation acoustique en champ proche inversé : Dans certaines conditions, la force répulsive qui produit la lévitation en champ proche s'inverse et devient une force d'attraction. Dans ce cas, le transducteur peut être pointé vers le bas et la configuration fera léviter l'objet en lévitation en dessous. L'objet va léviter à une distance de dizaines de micromètres et des objets à l'échelle du milligramme ont été lévités. Les recherches actuelles suggèrent que cela se produit lorsque le rayon équivalent du disque est inférieur à 38% de la longueur d'onde

Ces grandes classifications sont un moyen unique de trier les types de lévitation, mais elles ne sont pas définitives. D'autres travaux sont en cours sur la combinaison de techniques pour obtenir de plus grandes capacités, telles que la lévitation stable d'objets à axe non symétrique en combinant la lévitation par ondes stationnaires avec un piège double (généralement une technique de lévitation à faisceau unique). Il y a également une quantité importante de travail pour combiner ces techniques avec des composants de déphasage imprimés en 3D pour des avantages tels que la formation de champ passif ou une résolution spatiale plus élevée. Il existe également des variations importantes dans les techniques de contrôle. Bien que les PAT soient courants, il a également été démontré que les plaques Chladni peuvent être utilisées comme source d'ondes stationnaires unique pour manipuler des objets en lévitation en changeant la fréquence.

Applications

Les principales applications de la lévitation acoustique seront probablement scientifiques et industrielles.

Une sélection d'objets en lévitation acoustique dans un TinyLev comprenant des solides, des liquides, une fourmi et un composant électrique. Le tout dans la gamme de tailles de 2 mm à 6 mm.
(À gauche) Images de gouttelettes en lévitation acoustique pendant l'évaporation de liquide et la formation de particules. (À droite) La microtomographie aux rayons X donne un aperçu de la structure 3D finale des particules.

La lévitation acoustique fournit un environnement sans conteneur pour les expériences de séchage par gouttelettes afin d'étudier l'évaporation de liquide et la formation de particules. La manipulation sans contact des gouttelettes a également suscité un intérêt considérable car elle promet une chimie sans contact à petite échelle. Il existe également un intérêt à utiliser la lévitation pour suspendre les gouttelettes de protéines pour l'utilisation de l'imagerie par diffraction des rayons X sans conteneurs, ce qui atténue le faisceau et réduit la qualité des données de diffraction fournies.

La lévitation de petits animaux vivants a également été étudiée et la vitalité des animaux qui existent typiquement dans l'air n'a pas été affectée. À l'avenir, il pourrait être utilisé comme un outil pour étudier les animaux eux-mêmes.

Il y a une recherche active dans le domaine de l'assemblage sans contact. La lévitation de composants électriques montés en surface a été démontrée, tout comme le micro-assemblage avec une combinaison de champs acoustiques et magnétiques. Il existe également un intérêt commercial pour l'impression 3D en lévitation, Boeing déposant un brevet sur le concept.

La lévitation acoustique a également été proposée comme technique pour créer un affichage volumétrique , avec de la lumière projetée sur une particule, qui se déplace le long du chemin pour créer l'image plus rapidement que l'œil ne peut traiter. Cela s'est déjà avéré possible et a été combiné avec le retour audio et haptique du même PAT.

Un affichage volumétrique acoustophorétique où une petite particule de polystyrène expansé est rapidement déplacée avec de la lumière projetée dessus pour produire l'image d'un « panneau d'arrêt ». Il s'agit d'une image composite prise sur 20 secondes.

Voir également

Les références

Liens externes