Азиер Марзо и его коллеги разработали практический «тракторный луч», который использует ультразвуковые волны для левитации небольших сфер на малых расстояниях с использованием методов «темной ловушки», впервые применяемых с использованием оптических пинцетов. Но как это работает «тракторные лучи»: имя. Это может быть термин искусства, но вы знаете, что «тракторные лучи» должны работать в космосе (см.: «Звезда», «Трек» и «Войны»), и они работают только в воздухе.
Всем известно, что вы называете инструментом, который манипулирует маленькими объектами с помощью ультразвуковых волн. Это звуковая отвертка!
Создайте свой собственный переносной акустический тракторный луч. Предоставлено Асиром Марзо
Теперь, если вам все равно, как и почему это работает, и вы просто хотите его построить, тогда Асир Марзо Перес и его группа из Бристольского университета опубликовали фантастическое видеоролик и статью о Instructables. Вам понадобится два десятка ультразвуковых преобразователей, Arduino (действующий как генератор частоты 40 кГц), модуль драйвера шагового двигателя H-bridge в качестве усилителя мощности для преобразователей и трехмерный принтер, чтобы сделать «тарелку» с правильной геометрией.
Image
Изображение предоставлено Asier Marzo, из: Создайте свой собственный портативный пульт акустического трактора
Я не совсем уверен, что одобряю университетских исследователей, которые делают свои собственные интересные проекты в области электроники и видео на YouTube (это должно быть моя работа!), Но я ценю сложный процесс превращения передовой теории в забавные демонстрации.
Если вы все еще со мной (и не заказываете части с eBay), вы, вероятно, задаетесь вопросом: «Какое колдовство?» Итак, давайте подробно рассмотрим, как это работает.
Создание точек давления в тонком воздухе
Большинство людей потратили время на переустановку акустических систем, чтобы улучшить качество звука. Вы интуитивно знаете, что между стеками есть сладкое место, где стерео звучит лучше всего и яснее. Возможно, у вас даже есть установка со спутниковыми динамиками и whatnot, которые требуют тщательного размещения вокруг вашего любимого кресла.
Но вы когда-нибудь считали, насколько сложно создать звуковую систему, которая работает на 10 000 человек одновременно?
Ранние мега-концерты решили это, просто на самом деле, действительно большая стереосистема на главной сцене, достаточно громкая для всех, чтобы услышать, с какой-то «демилитаризованной зоной», чтобы люди не попадали на территорию прямого слуха. Но, как домашняя стереосистема, на середине сцены было сладкое пятно (луч), с некоторыми смешными боковыми лепестками в крыльях.
Другой подход заключается в том, чтобы рассеять много меньших ораторов вокруг места проведения, но именно тогда вы столкнулись с проблемой эха. Если у вас есть, скажем, три мощные акустические системы, разделенные на 100 метров, это задержка в 0, 3 секунды между каждым, и большинство людей будут в состоянии услышать один мощный соседний громкоговоритель и кольцо отголосков от других. Вы все это слышите в спортивных системах PA … stems … ems..
Если у вас три больших громкоговорителя, логически будет одна эквидистантная точка, где звук будет идеальным. Даже фаза входящих волн будет синхронизирована. Все звуковые волны добавят, никто не отменит, и у вас будет пик в звуковой энергии в этот момент.
Image
«сдул» Максэлл
Возвращаясь к немногому упрощению рук, теперь представьте, что «статическое давление воздуха» и «звуковая энергия» в основном одно и то же. Чем больше звуковой энергии у вас есть в куске воздуха, тем больше давления она сравнивается с другим равным объемом воздуха.
Все это быстро усложняется, потому что это не реальное давление воздуха. Вы не можете получить потоки, которые обычно возникают из-за фактических градиентов давления, потому что любой воздух, который пытается двигаться вдоль градиента, хочет снова двигаться назад, когда он выходит из зоны искусственной вечеринки.
Кроме того, когда речь заходит о левитирующих сферах, на физической границе есть все виды других механических воздействий, связанных с «термовизующим» переносом тепла; эти эффекты все еще исследуются. Точно так же, как ледяные коньки фактически не катаются на льду (а на тонком слое воды, создаваемом давлением лопастей), воздух на границе может быть не таким тонким, как мы думаем.
Динамика жидкости - сложный материал. В правильных ситуациях преобладают неочевидные эффекты, особенно если мы помогаем им. Мы это рассмотрим. Во-первых, нам нужно настроить нашу звуковую систему.
Перемещение Сладкого пятна
Возвращаясь к аналогии рок-концерта, представьте, что вы звукорежиссер. Если ваш микшерный стол является хорошим, у вас будут ползунки «задержка», а также обычные регуляторы громкости. Если вы можете ввести небольшие дополнительные задержки для некоторых из динамиков, вы можете переместить «сладкое пятно» с эквидистантной точки на почти любую точку на стадионе, который вы хотите. Звук перемещается около 300 м / с, поэтому за каждую миллисекунду задержки вы добавляете, вы перемещаете сладкое пятно на 30 см ближе к этому динамику.
У музыки только одно сладкое пятно, где все волны воссоединяются отлично, но что, если мы будем транслировать что-то повторяющееся, как монотонное? Одна частотная волна может синхронизироваться со сдвинутыми во времени копиями самого себя, поэтому мы получаем несколько мест, где добавляют волны; классический интерференционный шаблон с несколькими источниками.
Это приводит к «фундаментальному уравнению» тракторных пучков, которые мы собираемся разбить на части.
Image
Давление воздуха в любой точке поля равно количеству энергии звука «в фазе», поступающей в эту точку от всех динамиков, объединенных.
Где:
P (r)
Акустическое давление, создаваемое в точке r
P n
Сила помещается в динамик
L n
Эффективность динамиков при подталкивании воздуха
D f (θ n )
Радиационная диаграмма (поле направленности), рассчитанная по внеосевому углу
d n
Расстояние от динамика до точки (в метрах)
φ n
Фазовая задержка, добавленная к сигналу посредством смесительного стола
k Δ n
Фазовая задержка, добавляемая временем пролета (т. Е. Расстояние, деленное на длину волны)
Предполагается, что каждый источник имеет «диаграмму направленности излучения», которая кодирует идею о том, что громкоговорители громче спереди (ультразвуковые преобразователи имеют довольно плотный луч) и успокаиваются дальше. Если вы знаете, насколько мощным является динамик, и насколько широкий луч звука выходит на передний план, вы можете рассчитать объем громкости, который вы услышите от каждого динамика.
Диаграмма излучения D f () для круговых громкоговорителей является функцией Бесселя, которая зависит только от того, сколько градусов θ n от оси центральной линии.
Расстояние от нашего места до каждого динамика источника также имеет значение в зависимости от того, сколько аудиоволн будет соответствовать. Оставшаяся часть целых длин волн определяет изменение фазы поступающего сигнала из-за задержки движения по воздуху, что добавляет к любой задержке, которую мы могли установить с помощью стола.
Термин e i (n) - это трюк, заимствованный из преобразования Фурье, - это его маленькая «часовая стрелка», которая вращается на величину в экспоненте - способ превратить число фаз в направление компаса, например, когда они говорят в старых фильмах «Они атакуют с трех часов!» (Это нормально, это всего лишь четверть-два.)
То, что мы пытаемся вычислить, состоит в том, сколько сигналов, попадающих в точку, находятся в фазе друг с другом, также называемой фазовой корреляцией. Самый простой способ - превратить все фазы в векторы «часы» (комплексные числа), а затем положить все векторы до конца (суммировать их) и посмотреть, как далеко от вашего источника.
Image
Если векторы скоррелированы, все они будут ориентироваться примерно в одном направлении, и вы уйдете далеко. Если все фазы случайны, вы будете делать пьяную прогулку вокруг источника и в конечном итоге почти там, где вы начали. Неважно, в каком порядке вы суммируете шаги, вы попадете туда же.
В этом случае мы предварительно масштабируем все маленькие стрелки часов с «громкостью» этого громкоговорителя с заданного расстояния, поэтому многие тихие синфазные источники могут быть отменены одним громким соседним динамиком вне фазы. Заметим, что конечная сумма P (r) также является комплексным числом; фаза по-прежнему является частью ответа, а не просто величиной. Это имеет некоторые тонкие последствия позже.
Вот и все. Вы просто запускаете это уравнение по всем точкам в пространстве, чтобы рассчитать, сколько «акустического давления» ваша акустическая система доставляет на каждое сиденье, и вы получаете по существу трехмерную картину дифракции.
Как правило, мы хотим создать конкретную форму поля, и команда Бристоля использовала алгоритм оптимизации для решения проблемы в обратном направлении, ища шаблоны, которые наилучшим образом удовлетворяли их требования. Алгоритм по существу «настраивает ручки» на большом столе для микширования, пока сладкое пятно (или пятна) не окажется там, где они хотели.
Потенциал Горькова
Знать, где находятся узлы давления, - это не имя, зная, где наш мяч закончится, когда мы поместим его в акустическое поле. Интуитивно, зоны высокого давления будут подталкивать наш шар к низкому давлению. Но есть и вторичный эффект, который очень трудно объяснить, но критический для создания эффективной ловушки.
Как и отталкиваясь от давления, оказывается, что левитированные шары притягиваются к потоку; то есть они притягиваются к краям узлов давления, где происходит внезапный переход. Обычно мы этого не замечаем, потому что этот эффект слабый по сравнению с прямым давлением.
Но этот небольшой «вторичный» термин существует, и это очень важно при создании пучков тракторов.
Точный характер этого вторичного эффекта зависит от множества факторов, включая размер частицы и длину волны звука. Если вы действительно хотите узнать математику, эти две статьи весьма полезны:
Как вычислить силу акустической радиации
Устойчивость частицы, левитированной в акустическом поле
Несмотря ни на что, просто постарайтесь вспомнить, что, как и ветер, тоже нравится быть в потоке.
Место, где совпадают обе эти вещи, - это точка с максимальным потенциалом Горькова.
Тихие ловушки
На практике один узел давления подобен пробитому кулаку - он может перемещать вещи простым отталкиванием, но не с изяществом. Интуитивно, лучше всего было бы окружить объект, который мы хотим переместить в «кольцо» зон давления, поэтому объект стабилен в центре. Ловушка!
В оптике это называется «темной ловушкой», потому что устойчивая точка - это то, где лазер наиболее темный. По аналогии, в акустике это называется «тихой ловушкой».
Оказывается, существуют три основные формы поля, которые создают максимальные потенциалы Горькова в одном месте. Они различаются по форме клетки.
Image
Потому что вы знали, что это придет в конце концов
Из этой статьи представлены следующие диаграммы: голографические акустические элементы для манипулирования левитированными объектами Асир Марзо, Сью Энн Сих, Брюс У. Дринкуотер, Дипак Ранджан Сан, Беньямин Лонг и Шрирам Субраманян.
Они показывают поле акустического давления (вид спереди и сверху), фазовая диаграмма давления и некоторые 3D-модели поверхности поля для каждой конфигурации ловушки.
Как интерпретировать фазовую диаграмму: на физическом уровне каждая зона высокого давления является результатом регулярного совпадения звуковых волн в этой точке. Они не являются зонами статического давления - они «пульсируют» со скоростью ультразвука. Если две зоны колеблются вместе, они находятся в фазе. Если они встречаются поочередно, они не могут быть на 180 градусов. Полностью тихие точки не имеют фазы. Поскольку имеет место только относительная разница, информация о фазе представляется в виде циклической «радуги» цветов.
Ловушка для бутылок
Image
Изображение любезно предоставлено Асиром Марзо, из голографических акустических элементов для манипулирования левитированными объектами
На первый взгляд эта ловушка выглядит идеально. У этого есть прекрасное кольцо, большая верхняя и нижняя часть, и, кажется, держит мяч аккуратно со всех сторон. Но он также довольно слабый и неустойчивый, потому что у мяча много места посредине, чтобы погреться вокруг.
Он работает, и со стенами со всех сторон это проще всего понять. Но это не самая эффективная ловушка.
Вихревая ловушка
Image
Изображение любезно предоставлено Асиром Марзо, из голографических акустических элементов для манипулирования левитированными объектами
Это интересный, называемый «вихрем», потому что мяч похож на корову в торнадо. Он всасывается в середину кольца (место максимального потока, но минимальное давление), и движение вихря будет фактически вращать вокруг частицы.
Подумайте об этом как о «режиме отвертки». Если вы посмотрите на фазовую диаграмму сверху вниз (e), вы увидите вихрь фаз, который стремится вращать любые объекты в ловушке.
Двойная ловушка
Image
Изображение любезно предоставлено Асиром Марзо, из голографических акустических элементов для манипулирования левитированными объектами
Самая лучшая конфигурация - двойная ловушка. Точно так же шар всасывается в центр вихревой ловушки выше, огромный «поток» между двумя нефазными зонами давления тянет мяч в тихую зону между ними.
Вот почему мяч не выпадает из ловушки, ни по бокам, ни по концам. Казалось бы, у клетки только две стены, но она сбалансирована посередине, где эти большие первичные силы сокращаются, оставляя только термин «пребывание в потоке», который удерживает мяч в средней точке.
Концентрируя всю энергию на два полярных противоположных узла давления (вместо того, чтобы распространять их на более широкое кольцо или больше стен), мы можем создать наиболее концентрированный градиент всех ловушек. Обратите внимание, насколько «ярче» пятна давления сравниваются с вихревой ловушкой.
Проектирование поля
Акустическая фазированная решетка представляет собой всего лишь стенку громкоговорителей, которые направлены примерно в том же направлении. В идеальных условиях все ловушки могут проецироваться из одного и того же набора преобразователей. Это выбор программного обеспечения, установленный нашими ручками для микширования!
Image
Плоская фазированная решетка ультразвуковых преобразователей. Изображение от реализации компактных тракторных балок с использованием акустических линий задержки, любезно предоставлено Асиром Марзо
На следующей диаграмме показана величина задержки, добавленной к каждому громкоговорителю в стене, выраженная в цвете. Это похоже на то, что наши регуляторы задержки светятся в радужных оттенках, когда мы их вращаем.
Сначала шаблоны выглядят сложными, но могут быть разбиты на четыре элемента: выбор из трех простых шаблонов для проектирования предполагаемой ловушки (которые, к счастью, имеют некоторое сходство с создаваемыми ими ловушками) плюс общая фазовая коррекция фокусировки который помещает ловушку на конкретное фокусное расстояние.
Image
Изображение из голографических акустических элементов для манипулирования левитированными объектами, любезно предоставлено Асиром Марзо
Сделать это легко
Если мы точно знаем, какую форму мы хотим (двойная ловушка!) И не нужно ее менять, нам не нужно испускать сложные волновые фронты из фазированной решетки. Вместо уникального сигнала, идущего к каждому оратору, почему бы не упростить аппаратное обеспечение, отправив тот же сигнал большому количеству громкоговорителей и контролировать задержку времени пролета путем изменения расстояния?
То есть, забыть сложную электронику задержки - просто перетащите динамики вокруг!
Здесь появляется 3D-печатная тарелка. Она создает точную рамку, которая позволяет легко позиционировать преобразователи для проецирования сильной двойной ловушки при управлении одним общим сигналом 40 кГц. Не нужны ползунки задержки - они запекаются в геометрию.
Еще лучше, мы можем по-прежнему перемещать положение ловушки вверх или вниз по центральной оси с одинаковыми фазовыми сдвигами примерно до половины преобразователей. Таким образом, мы все еще можем «продлить» или «оттянуть» точку пинцета (фактически, повторяющуюся линию конвейера) под программным управлением, но без необходимости выполнять сложные вычисления «на лету». Только одна ручка сделает это естественно.
Image
Изображение от сборки собственного портативного акустического трактора, любезно предоставленного Асиром Марзо
Если вы думаете об этом, «проектор луча трактора» на самом деле не излучает эффект левитации непосредственно на сферу. Это на самом деле фокусируется на двух местах сразу рядом с ним. Мяч действует как канал между этими зонами и, удерживая ногу на каждом танцполе, получает энергию, в которой он должен оставаться там.
Ограничения
Размер частицы
Это действительно работает только на объектах, меньших длины волны звука. Ультразвук 40 кГц получает вас 4 мм частиц. Если вы хотите тянуть большие вещи, частота падает в слышимый диапазон, и это называется «сирена». Но одно преимущество - размер и форма не имеют особого значения в этом пределе, потому что сила трактора масштабируется с объемом.
Мощность
Устройство «скошенное блюдо» не использует большую мощность (<6 Вт) на оптимальном расстоянии, но оно быстро растет, если вы используете более общие фазированные массивы (20-50 Вт) или хотите увеличить фокусное расстояние. В какой-то момент вы достигли предела того, сколько шума вы можете вытащить из маленьких бокс-боксов.
Луч не сильно нагревает цель, но есть обнаруженное теплое пятно, если вы укажете луч на стену. (Акустическая сила должна куда-то уйти!) Асир также предупреждает, что хрупкие / гармонические объекты (например, стекло) могут быть повреждены с достаточной мощностью, если вы нажмете его резонансную частоту, хотя они еще не видели, что на самом деле это произошло. Он также отметил, что мощные ультразвуковые системы используются в медицине для снятия ткани, поэтому необходимо это знать.
вес
О микрограмме вы можете поднять с помощью этого оборудования. Кроме того, хотя это тривиально по сравнению с другими силами, помните, что вес объекта технически распределяется по граням конусов динамиков в вашем массиве с помощью противодавления. (Сохранение энергии по-прежнему применяется, дети. Это закон.)
контрастировать
Удерживающая сила также зависит от «акустического контраста» объекта по сравнению со средой. Если частица имеет странные акустические свойства или среда почти такая же, как и у мишени, вы потеряете тягу. В воздухе все твердые материалы имеют чрезвычайно сильный контраст, но если вы работаете в толстых жидкостях, вам нужно убедиться, что целевой объект достаточно плотный.
Image
Asier Marzo и луч трактора. Изображение предоставлено группой Bristol Interaction and Graphics
Итак … для чего?
Когда его спросили, Асир сказал следующее:
Если бы микроскопы были нашими новыми глазами, акустические манипуляции могли бы стать нашими новыми руками. Не для левитации людей или автомобилей, а для манипулирования маленькими частицами в воздухе или даже внутри нашего тела.
