В данной статье пойдет речь об акустической левитации стоячей волны. В последнее время изучение стоячих волн набирает свою популярность. Это связано с тем, что про стоячие волны человечество знает уже несколько сотен лет, но современная физика до сих пор не имеет точного описания всех свойств и особенностей стоячих волн, по сравнению с другими типами волн. Следовательно, исследования в области стоячих волн являются очень актуальными и востребованными.

Впервые стоячие волны описал Майкл Фарадей в 1831 году, наблюдая их на поверхности жидкости в вибрирующем сосуде. Такие нелинейные стоячие волны, возникающие на поверхностях жидкостей, называют волнами Фарадея. Исследованиями стоячих волн также занимался Никола Тесла, но он исследовал стоячие волны электромагнитных полей.

За те два века, которые человечество изучает стоячие волны, нашлось не так много практических применений их в промышленности и технике, как могли бы. Сейчас стоячие волны используются в устройствах для очистки жидкостей или газов без использования фильтров, в устройствах для распределения добавок в жидкой фазе металлов и пластиков, в насосах без подвижных частей и в акустических левитронах.

Для начала, необходимо будет понять, что такое левитация. Левитацией называют устойчивое положение объекта в гравитационном поле без непосредственного контакта с другими объектами. Необходимыми условиями для левитации в этом смысле являются: наличие силы, компенсирующей силу тяжести, и наличие возвращающей силы, обеспечивающей устойчивость объекта. Выделяют следующие типы левитаций:

1. Магнитная левитация. Левитация объекта с помощью магнитного поля. Магнитное давление используется для компенсации силы тяжести или любых других сил.
2. Электростатическая левитация. Метод левитации с использованием электрического поля для левитации заряженного объекта.
3. Оптическая левитация. Тип левитации, который использует высоко фокусированный лазерный луч для удержания и перемещения микроскопических и субмикроскопических объектов, таких как атомы, наночастицы и капли. Объекты большой массы, данный тип левитации поднять не позволяет.
4. Акустическая левитация. Левитация, при которой силу, компенсирующую силу тяжести, создает одна или несколько звуковых волн.
5. И многие другие.

Далее по тексту часто будет употребляться слово левитрон, поэтому необходимо разобраться с его значением. В данной статье под понятием левитрона мы будем понимать устройство, которое будет левитировать тело или группу тел, то есть будет создавать возвращающие силы, которые будут противодействовать силам, выводящим левитируемое тело или тела из состояния покоя, и силы, компенсирующие силу тяжести. Выделяется два вида левитронов:

1. Одноосевые или статические левитроны – это тип левитрона, при котором левитируемые тела находятся вдоль одной оси и при этом не могут перемещаться вдоль нее.
2. Многоосевые или динамические левитроны – это тип левитрона, при котором левитируемые тела могут находиться вдоль нескольких осей или же лежат вдоль одной оси, но при этом могут менять свое положение вдоль нее.

Далее будет рассмотрен принцип работы только одноосевых левитронов из-за простоты описания принципов их работы и отсутствия необходимости точно контролировать некоторые параметры левитрона, о которых будет позже.

Итак, далее нас будет интересовать только акустическая левитация, так как он позволяет поднимать объекты гораздо большей массы, по сравнению с оптической левитацией. А также левитируемые объекты не должны быть заряженными или быть проводниками, как в случае электростатической и магнитной левитации соответственно. Акустической левитацией называется метод подвешивания весомого объекта, твердого тела или жидкости, в воздухе с использованием давления от звуковых волн высокой интенсивности. Выделяют следующие виды акустической левитации:

1. Левитация со стоячей волной. Объекты захватываются в узлах стоячей волны, образованной либо источником звука и отражателем, либо двумя наборами источников.
2. Левитация в дальнем поле. Данный вид левитации позволяет поднимать в воздух объекты, длина которых превышает длину волны, на расстояниях превышающих длину волны источника.
3. Левитация с одним лучом. Левитация объектов на расстоянии, превышающем одну длину волны от источников, доступ к которым возможен только с одной стороны.
4. Левитация ближнего поля. Левитация, при которой большой плоский объект помещается очень близко к поверхности преобразователя и действует как отражатель, позволяя ему левитировать на очень тонкой прослойке воздуха. Эта техника способна поднимать несколько килограммов, но не может подниматься выше, чем на сотни микрометров над поверхностью. То есть в человеческом масштабе она проявляется скорее как значительное уменьшение трения, а не как левитация.
5. Левитация в перевернутом ближнем поле. При определенных условиях сила отталкивания, которая вызывает левитацию в ближнем поле, инвертируется и становится силой притяжения. В этом случае преобразователь может быть направлен вниз, и установка будет левитировать объект, находящийся под ним.

Далее мы будем рассматривать только акустическую левитацию стоячей волны, так как это самый сильный метод левитации на расстоянии, превышающем длину волны, из-за конструктивной интерференции двух бегущих волн, которые ее формируют. Сила, создаваемая однолучевой левитацией, на расстоянии в 30 раз слабее, чем от левитации стоячей волны. И так, акустическая левитация в стоячей волне – это устойчивое положение весомого объекта в области узлов стоячей акустической волны.

В данной статье, звук мы будем рассматривать, как физическое явление, представляющее собой распространение упругих волн в газообразной, жидкой или твёрдой среде.

Звуковая волна обладает такими характеристиками, как: частота, длина, скорость распространения и амплитуда.

У волны, как и у любого периодического движения, есть своя частота. Частота волны – это количество полных циклов волнового процесса за единицу времени. Обычно для акустической левитации используют звуковые волны ультразвукового диапазона, то есть частоты, превышаемые верхний предел слышимости человека, а именно 20 кГц. В первую очередь это связано с высокой интенсивностью звука, необходимого для противодействия гравитации. Тем не менее, были случаи использования слышимых частот. Но они редки и очень неэффективны по сравнению с левитронами, использующими ультразвуковой диапазон волн. Я буду использовать звуковые волны частотой 40 кГц, так как при увеличении частоты волны, растет интенсивность звука, а как следствие растет давление, оказываемое звуком на левитируемые тела.

Скорость волны, в нашем случае звуковой волны, - это расстояние, на которое распространяется волна за единицу времени. Как и любая скорость обозначается буквой V и измеряется в м/с. Скорость распространения звуковой волны в воздухе равна 331 м/с, что равняется 1191,6 км/ч.


Длина волны – важная ее характеристика, которая влияет на конструктивные особенности левитронов. Длина волны – это расстояние между двумя ближайшими друг к другу точками в пространстве, в которых колебания происходят в одинаковой фазе. То есть длину волны можно измерить как расстояние между соседними максимумами или минимумами функции y(x) или же, как удвоенное расстояние между соседними точками, в которых y = 0. Рассмотрим график функции y(x), где λ – это длина волны:

Длина волны прямо пропорциональна скорости ее распространения и обратно пропорциональна ее частоте. Для акустической левитации мы будем использовать звуковые волны с частотой 40 кГц и при скорости распространения звуковых волн в воздухе 331 м/с, получаем, что длина нашей волны равна 8,275 * 10^-3 метра, то есть 8,275 мм:

Так же волны различаются по амплитуде. Амплитудой волны называют максимальное значение смещения или изменения переменной величины от среднего значения. На графике функции y(t), A(t) – амплитуда колебаний:

Далее, можно перейти к определению именно стоячей звуковой волны. Стоячей звуковой волной называют явление интерференции двух волн, распространяющихся в противоположных направлениях при котором перенос энергии ослаблен или отсутствует. Интерференция волн – взаимное увеличение или уменьшение результирующей амплитуды двух или нескольких когерентных волн при их наложении друг на друга.

Стоячая волна – колебательно-волновой процесс в распределенных колебательных системах с характерным устойчивым в пространстве положением чередующихся максимумов (пучностей) и минимумов (узлов) амплитуды. Пучностями стоячей волны называют максимальные значения амплитуды волны. На графике, пучности – это точки E, F и G. Узлами стоячей волны называют точки, в которых амплитуда колебания равна нулю. На графике, узлы стоячей волны – это точки A, B, C и D. Узлы стоячей волны находятся друг от друга на расстоянии равному половине длине волны, то есть 0.5λ.

Стоячие волны имеют способность к удержанию весомых тел. Для наглядной демонстрации данного явления нам необходимо будет собрать экспериментальную установку, речь о которой пойдет во второй части статьи.

Список литературы.

1. Acoustic levitation: [Электронный ресурс] // Википедия. Свободная энциклопедия. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Acoustic_levitation
2. Акустическая левитация своими руками: [Электронный ресурс] // Хабр. URL: https://habr.com/ru/post/461527/
3. Optical tweezers: [Электронный ресурс] // Википедия. Свободная энциклопедия. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Optical_tweezers
4. Николай Мартыненко. Левитация для маглов. Как подвесить что-нибудь в воздухе, если вы физик, а не волшебник: [Электронный ресурс] // https://nplus1.ru/. URL: https://nplus1.ru/material/2021/02/26/levitation
5. Standing waves: [Электронный ресурс] // Википедия. Свободная энциклопедия. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Standing_wave
6. Галеев Глеб Александрович. Стоячие волны в природе и современных технологиях: [Электронный ресурс] // https://school-science.ru/. URL: https://files.school-science.ru/pdf/10/5f3f9546b401b.pdf