Акустический левитатор научили огибать препятствия

Mohd Adili Norasikin et al. / UIST 2018

Британские инженеры создали массив ультразвуковых излучателей, способный удерживать небольшие и легкие предметы в воздухе, даже если между ним и предметом находится препятствие. Такого результата удалось добиться благодаря статичной пластине, изменяющей фазу проходящего через нее звука, и подбору такой фазы для каждого излучателя, чтобы общее звуковое поле огибало препятствие, рассказывают авторы статьи, представленной на конференции UIST 2018.

Акустическая левитация основана на том, что из-за интерференции когерентные акустические волны образуют в воздухе стоячую волну, которая в свою очередь приводит к образованию в объеме воздуха областей с пониженным и повышенным давлением. Если в область минимума давления поместить небольшой предмет, размер которого меньше длины стоячей волны, из-за окружающих областей с повышенным давлением он будет оставаться в воздухе, не падая.

В последние годы в этой области заметен прогресс, к примеру, в 2015 году группа инженеров из Бристольского и Сассекского университетов впервые создала однонаправленный ультразвуковой левитатор, а в начале года бристольские инженеры впервые заставили левитировать объект размером больше длины стоячей волны. В новой работе инженерам из Сассекского университета под руководством Срирама Субраманьяна (Sriram Subramanian) удалось решить еще одну важную технологическую проблему — они научились удерживать в воздухе объект, отделенный от массива излучателей препятствием.


Одна из проблем при создании акустических левитаторов, создающих звуковое поле с высоким разрешением, заключается в том, что обычные ультразвуковые излучатели из-за их размера сложно расположить на небольшом расстоянии друг от друга. Инженеры преодолели это ограничение, создав гибридную установку, состоящую из фазированной ультразвуковой решетки, объединяющей 256 ультразвуковых излучателей, и пластины, которую авторы называют акустическим метаматериалом. Она представляет собой массив из концентрических дисков, толщина которого равна длине волны звука, а расстояние между дисками — половине длины волны.

Особенность пластины заключается в том, что в полостях между дисками расположены препятствия, из-за которых прошедший через полость звук имеет измененную фазу. Инженеры рассчитали препятствия таким образом, чтобы после прохождения звука от фазированной решетки через пластину звуковое поле огибало препятствие над ней. Несмотря на то, что сама пластина статична, управление ультразвуковыми излучателями позволяет менять конфигурацию звукового поля. Разработчики придумали простой способ измерения звукового поля — они взяли 3D-принтер, заменили его экструдер на микрофон и написали программу, которая управляет движением микрофона и составляет карту интенсивности звука в разных областях.

Эксперименты с установкой показали, что звук в ней действительно способен огибать препятствия и удерживать в воздухе небольшие и легкие предметы, а также перемещать их по разным осям. Кроме того, инженеры продемонстрировали несколько других применений, в том числе они научились создавать гаптическую отдачу для руки пользователя еще до того, как она коснулась объекта над установкой. Помимо этого, установка позволяет менять направление движения потока газа и, к примеру, отклонять пламя от свечи.

Ранее инженеры создавали другие необычные применения для акустической левитации. К примеру, в 2016 году группа Срирама Субраманьяна представила дисплей с акустически левитируемыми пикселями, действующими по принципу электронных чернил. А в прошлом году литовские инженеры разработали полностью бесконтактное устройство для пайки, в котором позиционирование детали происходит за счет направленного ультразвукового излучения, а сама пайка производится с помощью лазера.

Григорий Копиев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.