Aklıtlı bir şekilde, bir laboratuvar merakı, dalga fiziğindeki derin köklerle güçlü bir iletişim tekniğine olgunlaşmıştır ve birçok mühendislik disiplininde ilgiyi ortadan kaldırır. Yüksek seviyeli ses dalgaları kullanarak, aksi takdirde konteyner duvarları tarafından aydınlatılan, araştırmacılar ve mühendisler askıya alınabilir, küçük taşıma nesneleri – sağlam sistemlere ve herhangi bir fiziksel temasa geçebilmenin sınırlarına kadar.Bu yetenek, fiziksel olarak kontrasepsiyonel stresi ortadan kaldırır ve fiziksel olarak erişilebilir olan temelleri kullanarak deneysel erişimi açar.

Akustik Levitation Fiziği

Onun temelinde, akustik bir akış, ses dalgaları ve küçük nesneler arasındaki etkileşime dayanıyor -tipik olarak hava veya sıvı. Anahtar bilgi, ses dalgalarının ivme ve enerji taşıdığını ve bir nesneyle karşılaştıklarında, akustik radyasyon kuvveti olarak bilinen bir güç haline geliyor. Doğru koşullarda, bu güç, yerçekiminin üstesinden gelmek ve istikrarlı bir konumda bir nesne tutmak için yeterince güçlü olabilir.

Ayaklanma Formasyon

Sabit bir tuzak oluşturmak için en yaygın yöntem, yüksek frekanslı bir dalga dalga dalgalar sert bir yansımaya doğru uzanır.Dönder dalga, iki koherent ses dalgalarının birbirine müdahale ettiği zaman oluşturulur (en azından akustik basınç noktaları) ve antinodes (en yüksek frekanslı bir transducer, üst düzey bir yanlı ses dalgası arasındaki mesafeyi döndürür.

Ayaklanma modeli kritiktir, çünkü ayakta bir dalgadaki akustik radyasyon gücü iyi tanımlanmış bir uzay yapısına sahiptir. Küçük bir küresel parçacık için, kuvvet ya da bir basınç antinode'ye bağlı olarak, ısının etrafındaki partiküllerin yoğunluğuna ve sıkıştırılmalara bağlı olarak baskıya yol açar. Çoğu katı partikül ve sıvı damlacıklar havadan daha yoğun ve daha az sıkıştırılabilir, böylece düğümlere baskıya maruz kalır.

Kompiyon – birim yerinden edilme gücü dengeden uzaklaştırılabilir – akustik baskıya bağlı olarak, sıvılarda ve ortadaki yoğunluk ve dayanıklılık karşılaştırılabilirliği. Yüksek amplitüdler ve daha yüksek frekanslar genellikle sert tuzaklar üretir, ancak transdüser gücü işleme, nonlinear etkiler ve sıvılarda cavitasyon riski vardır.

Akustik Radyasyon Kuvvetleri

Akustik radyasyon gücü, 1962 yılında Gor'kov tarafından sıkıştırılmış bir enerji alanı tarafından yapılan zamanlayıcı güçtir.Bu, nesne tarafından ses dalgalarının saçılması ve absorbe edilmesinden kaynaklanmaktadır. Teori, 1934 yılında Kral tarafından, negatif iyonik sıvı olarak hesaplanabilir ve daha sonra Gor'kov tarafından elektronik olarak genişletilebilir.

Ayakta bir dalga alanında küçük bir küresel parçacığı için, Gor'kov potansiyel, kuvvetin parçacık hacmine göre orantılı olduğunu ve akustik baskının yüksek çözünürlükte olduğunu tahmin ediyor.Bu, parçacığın ve orta arasındaki yoğunlukları daha büyük ölçüde artıran faktörler anlamına geliyor.

Radyasyon kuvvetini anlamak, bu teorik modelleri transdüserleri tasarlamak için kullanmak, işletim frekanslarını seçmek ve belirli uygulamalar için yansıtıcı geometrileri optimize etmek için önemlidir.

Gor'kov Potansiyel ve Tuz Stability

Gor'kov potansiyeli akustik tuzakların stabilitesini analiz etmek için değerli bir çerçeve sunar. Bir boyutlu ayakta dalga, potansiyel iyiler düğümlerde veya antinodes'da bulunur, aksine, potansiyelin derinliği, tuzakın ne kadar güçlü olduğunu iyi belirler - hava akışı veya mekanik titreşim gibi - parçacık kaçışlarından önce tolere edilebilir.

Node vs. Antinode Trapping

Havadaki nesneler için, su damlacıkları, polimerler veya biyolojik hücreler gibi, akustik kontrast faktörü tipik olarak olumlu, yani basınç düğümlerine doğru hareket ederler. Sıvılarda bulunan nesneler için, gaz balonları veya düşük seviyeli parçacıklar gibi, kontrast faktörü negatif olabilir, antinodes'ta tuzak kurmalarına yol açıyor.Bu ayrım, araştırmacıların uygun frekans ve ses alanı yapılandırması için belirli malzemeler için kurulumunu seçmelerine olanak sağlar.

Stability ayrıca akustik akışa bağlıdır - bazı durumlarda, akış kimyasal reaksiyonlar veya biyolojik assaylar için karıştırılmış damlalar için karıştırılır.In others, akustik alanın dikkatli tasarımıyla veya akışların zayıf olduğu yüksek frekanslarda ameliyata yol açabilir.

Core Mechanisms and Build

Pratik akustik akış sistemleri güvenilir, tekrarlanabilir bir akış elde etmek için donanım ve konfigürasyonun dikkatli bir seçim gerektirir. ana bileşenler ultrasonik transducer, reflektör, sürücü elektronik ve genellikle bir pozisyon veya geri bildirim sistemidir.

Ultrasonik Transducers

Transducer, 20 kHz'nin birkaç milimetreye kadar mekanik titreşimlere dönüşen, frekansların bir ticaret hacmini gerektirdiğini belirtiyor: daha küçük tuzak boyutları ve uzaysal çözünürlüğüne izin veren daha yüksek frekanslar, ancak havadaki akustik düşüşler frekanslarda, çalışma mesafelerini ve maksimum kuvvetle sınırlandırır.

Transducer tasarımı, radiating yüzeyinin şekli ve büyüklüğü dahil, ses alanını elektronik olarak şekillendirmeye ve yoğunluklara etkiler. Düz veya biraz koncave radyatörler tipiktir ve transducer ve orta arasındaki uyum, verimli enerji transferi için önemlidir. Bazı gelişmiş sistemler ses alanını elektronik olarak şekillendirmeye çalışır, hareketli parçalar olmadan tuzak konumunun dinamik kontrolünü sağlar.

Yanlı Yapılar

Kombine, ayakta dalga oluşturmak için transducer'in aksine konumlandırılır. Düz, pürüzsüz ve en az saç teliyle ses dalgasını yansıtmak için katır. Transducer ve reflektör ayaktaki düğümlerin sayısını belirler ve yarı dalga boyu bir miktar sabit bir şekilde ayarlanmalıdır.

Farklı yansıma şekilleri baskı profilini değiştirebilir. Bir concave reflektör ses alanına odaklanabilir, tuzak konumundaki yoğunlukları artırabilir. Bu daha büyük veya yoğun nesnelere sahip olmak için kullanışlıdır. Bazı tasarımları, örnekleme veya optik erişime izin vermek için merkezde bir delik ile açık bir yansımacı kullanabilir.

Single-Axis vs. Multi-Axis Systems

En basit akustik bir kovalama, tek bir transducer-reflector çifti kullanır, bu yüzden nesne rahatsız edici bir dalga geçmek için.Bu nedenle üç boyutlu sınırlılık elde etmek için, multi-axis) konfigürasyonu eksen boyunca düğümlerde tuzak nesneleri kullanabilir, ancak tuzak transistörlerin zayıftır.Bu nedenle nesne üç boyutlu bir şekilde sabit bir şekilde sabit bir şekilde sabit bir şekilde sabit bir şekilde sabitlenebilir.

Fazlı diziler özellikle güçlüdür, çünkü elektronik kirişlerin ve mekanik hareket olmadan direksiyona izin verirler. Her bir elementin fazını kontrol ederek, dizi aynı anda birkaç nesneyi işlemek için bir taşınır tuzak veya hatta birden fazla tuzak oluşturabilir. Bu yetenek, temassız taşıma, türleme ve montaj gibi uygulamalar için önemlidir.

Mühendislik ve Endüstri Uygulamaları

Akustik Yaraylanma, hassas malzemeler için çalışma ve işleme için ideal bir ortam sağlamak için tezgahtan taşındı. Katı duvarların yokluğu yüzeyin nükleasyon, kirlenme ve adsorpsiyonun ortadan kaldırılması, hassas malzemeler için ideal bir ortam sağlamak.

İletişimsiz Malzeme İşleme ve İmalat

En doğrudan mühendislik uygulamalarının biri, mikroelektik sistemler (MEMS) montajında, örneğin, hassas silikon wafer veya mikroçipleri kaldırılabilir ve mekanik sabitlenmeden konumlandırılabilir. Benzer şekilde, mikroekonomik sistemler (MEMS) montajında akustik kompulasyon, alt katta hassas hassas hassas yüzeyler ve küçük parçalara bağlanabilir.

Teknik aynı zamanda, camlı bir duvar etkisi olmadan sağlam bir şekilde incelenebilir.(#0) Bu, malzemeye uygun olarak, Avrupa Uzay Ajansı ve NASA'nın, mikrogravity deneylerinde faz geçişlerini ve kristalleştirmeyi incelerken, Dünya üzerindeki konteyner etkileri ile ilgili uygulamalarla incelenebilir.

Biyolojik ve Tıbbi Araştırma

Aklıtsal Yaraylanma özellikle biyoloji ve tıpta değerlidir, çünkü hücrelerin, bakterinin ve biyomolecules'in mekanik iletişim veya kimyasal ek olmadan işlenmesine izin verir.

Hücre Manipulation and Tound Engineering

Araştırmacılar, hücreleri doku mühendisliği için üç boyutlu agregalar ile bir araya getirmek için akustik bir avantaj kullandılar. Hücresel teknik, düğümlerde onları tam olarak kontrol etmek için, taklit eden yapılar oluşturmak mümkün. Bu yapılar uyuşturucu test veya rejeneratif tıp çalışmaları için kültürde muhafaza edilebilir. akustik teknik, şüpheli olmayan bir şekilde diğerlerine bağlı olarak hücre konumlarını tam olarak kontrol etmek için potansiyel bir şekilde sunar.

Başka bir uygulamada, akustik koitasyon analiz için tek hücreli hücreleri işlemek ve pozisyonlamak için kullanılır. Örneğin, tek bir hücre kapanabilir ve sonra fluorescence görüntüleme veya mikroinjeksiyon için bir tespit bölgesine taşındı.

Akustik levitation ayrıca, Dünya'daki mikrogravity-simated koşullarda protein kristalizasyonunun incelenmesini sağlar. Protein kristalleri genellikle konteynerlerde yetiştirilenlerden daha iyi difraksiyon kalitesini sergiler, çünkü konteyner duvarları kontrol edilemeyen nükleksiyonu teşvik edebilir.

Çevre ve Uzay Uygulamaları

Uzay uygulamaları, akustik kullanım çekicidir çünkü yerçekimi olmadan çalışır. Mikrogravity, parçacıklar düşük güçlerle kapanabilir ve yapılandırılabilir, yapılar veya örnekleri bir araya getirmek için. NASA'nın akustik levitasyon cihazlarının mikrogravity'deki deneyler için arayın ve konveksiyonun yokluğu, temassız sınırlılık ile birlikte, eşsiz kömür kirliliği çalışmalarına izin verir.

Dünya'da, çevresel uygulamalar hava yoluyla katılımcılarının yakalama ve analizini içerir. Akustik bir tuzak, spektroskopi kullanarak gerçek zamanlı analiz için bir akış akışın aerosol partiküllerini yoğunlaştırabilir.Bu, hava kalitesi izleme, biyolojik aerosollerin tespiti ve bulut formasyonunu incelemek için ilgilidir. Acoustic CARitation, uçucu sıvı buharlaşma ve kimyasal reaksiyonların incelenmesini sağlar, ki bu da sprey yanma, kurutma süreçleri ve farmasötik aerosollerin formülasyonu ile ilgilidir.

Bir başka çevresel kullanım, kirleticilerin su analizinin yeniden belirlenmesindedir. Akustik levitation, National Institutes of Health dahil olmak üzere, kontraseptörlerin yer aldığı su azaltımı ile ilgili olarak, ultra hassas iz kirleticilerin tespit edilmesine olanak sağlar.

İleri ve Gelecek Yollar

Akustik Yaraylanma alanı hızla gelişmeye devam ediyor, transducer malzemeler, elektronik ve hesaplama modellemede gelişmelerle yönlendiriliyor. Birkaç trend, bir sonraki akustik manipülasyon sistemlerinin şekillendirilmesi muhtemel.

Scaling Up

Büyük bir hedef, daha büyük nesnelere ve daha yüksek aktarımlara akustik bir avantaj sağlamaktır.Mevcut sistemler genellikle çapı birkaç milimetreye kadar nesnelerle çalışır, ancak son zamanlarda daha yüksek güç ve çoklu transdüserslerin tuzakları ortaya koyduğu daha yüksek çalışır, ancak bu, endüstriyel pick-and yer işlemleri için iletişimsiz bir şekilde çalışma olasılığını açar. )Scaling up) Bu, akustik akış ve sınırsız etkiler konusunda dikkatli bir şekilde yönetim gerektirir.

Robotik ve Otomasyon ile entegrasyon

Robotik armatures veya konveyör sistemleri ile akustik bir kullanım için tamamen otomatik temassız iş hücreleri oluşturabilir. Örneğin, bir transducer serisi ile donatılmış bir robot kolu, bir iş istasyonuna kadar onu taşımak ve onu gerçek zamanlı izleme ve geri bildirim kontrolü için bilgisayar vizyonunun entegrasyonu, üretim ortamlarında güvenilir bir işlem için anahtar olacaktır.

Biyomedikal Cihazlar

Vücutta veya steril kartuşlarda çalıştırabilecek akustik donanım cihazları tıbbi uygulamalar için geliştirilmektedir. Bunlar, ilaç partiküllerinin non-vazif olmayan manipülasyonu veya doku oluşturmaları gibi doğrudan bir yara sitesinde kullanılabilir.Prooustic tweezers, ki bu, odaklanmış ultrason kirişleri tuzak ve hareket etmek için tasarlanmıştır, zaten temasa geçmemiş hücre tipi ve tanıları için araştırılabilir.

Mikrofluidics ve Lab-on-a-Chip

Mikrofluidic kanalları ile entegre edilen akustik bir akış, kapalı kimya için güçlü bir platform sağlar. Droplets bazen kullanılabilir, birleştirilmiş, karışık, bölünmüş ve mikro kanal duvarları olmadan analiz edilebilir. Bu, kontratofluidic teknolojiler ve uygulamaları laboratuvar destekli teknolojiler ve mikrofloresans cihazlarla ilgili olarak analiz eder.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Aklıtlı akış, temel dalga fiziğinde sofistike ve çok yönlü bir teknolojidir. Ses dalgaları kullanarak konu kontrol etme yeteneği, bilim ve mühendislikteki yeni deneyler ve süreçleri etkinleştirmiştir.Tek hücrelerin yüksek değerli malzemelerinin kesin çalışmalarından, akustik, hafif ve kontrol edilebilir bir yöntem sunar.Ingoing in transducer technology, staged arrayifier and integration with Robotics and microfluidic platformları, yüksek değerli malzemelerin yelpazesine daha iyi bir şekilde entegre edilir ve teknoloji ile entegrasyon, ancak akustik bir şekilde kabul edilen bir zamanlar için gerekli olan teknolojik yenilikleri anlamak sadece entelektüel bir kez daha yaratıcı olmayan bir şekilde tasarlanmıştır.