Физики Хельсинкского университета провели воду, порошок и газ по ультразвуковой трубе без стенок

Физики Хельсинкского университета вместе с коллегами из Публичного университета Наварры (Испания) и Мичиганского университета создали прототип, который направляет непрерывный поток вещества по воздуху внутри трубы из ультразвука. Работа под руководством Ари Сальми и Дмитрия Николаева опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences. pnas.orgProceedings of the National Academy of Sciencespnas.orgОткрыть источник ↗ Кольцо из 256 ультразвуковых излучателей, каждый размером примерно с рубашечную пуговицу, окружает поток на расстоянии около 5 см. Пока труба работает на участке длиной около 8 см.

Как устроена звуковая труба

Акустическая манипуляция использует звуковые волны для силового воздействия на вещество. Существующие методы, такие как акустические голограммы и фазированные решётки, перемещают отдельные частицы или небольшие группы поодиночке и не подходят для рассеянной материи, например газов или аэрозолей. Новый метод использует вытянутые акустические поля типа Бесселя. Они создают сходящиеся радиальные силы вдоль программируемого пути и образуют канал в воздухе без физических направляющих.

Команда подобрала фазы 256 излучателей так, что их волны складываются в длинное тонкое поле. Максимум давления охватывает тихое ядро, подобно стенкам шланга, и всё, что смещается, возвращается к центру. Если изменить фазы, труба изгибается. Исследователи наклоняли струю воды влево и вправо и сдвигали место её падения примерно на 16 мм, не теряя ни капли.

Кольцо работает на частоте около 40 000 колебаний в секунду, выше диапазона человеческого слуха. По словам Николаева, интенсивность в ядре сравнима с непрерывным грохотом выстрелов рядом с ухом.

Твёрдые тела, жидкости, газы и искра

Разным агрегатным состояниям нужны разные конфигурации поля. Поле в форме бублика с высоким давлением вокруг полого центра удерживало струю воды и отдельные капли диаметром 1–2 мм. Зёрна кремнезёма размером примерно с толщину человеческого волоса кружились внутри такого поля: их захватывал медленный вихрь воздуха, который возбуждает сам звук, и выбрасывал наружу. Поле с лепестковыми лопастями удерживало порошок на траектории, упало лишь несколько зёрен. pnas.orgProceedings of the National Academy of Sciencespnas.orgОткрыть источник ↗

Для газов потребовалась третья настройка с фокусировкой давления вдоль оси. Углекислый газ, закись азота и пар от бытового увлажнителя следовали за полем. Гелий, который легче воздуха, в этих опытах направить не удалось.

Искра от небольшой катушки Тесла, помещённой в трубу, при включённом звуке отклонялась примерно на 1 мм. При выключенном звуке она блуждала до 25 мм из стороны в сторону. Авторы полагают, что то же давление, которое направляет газ, направляет и нагретую нить воздуха. С помощью управляемой искры команда сварила края двух пластиковых деталей без контакта.

Производительность и ограничения

Порошок проходил через кольцо со скоростью около 4,2 г в минуту, жидкость — до 30 мл в минуту. Авторы называют области применения: лабораторные операции без контейнеров, доставка реагентов или энергии без загрязнения, аддитивное производство. pnas.orgProceedings of the National Academy of Sciencespnas.orgОткрыть источник ↗ Среди других демонстраций были буква E из капель воды, заполнение рядов мелких лунок жидкостью или порошком и слияние двух струй жидкости в воздухе.

Прототип представляет собой настольное устройство для небольших деликатных потоков. Любая турбулентность в газовой струе нарушала направление, поэтому исследователи обернули устройство тканью, чтобы защитить его от сквозняков. Звук, отражающийся внутри цилиндра, ослаблял поле сильнее, чем предсказывали расчёты, и это одна из причин, по которой направляющий участок сделан в виде расширяющегося конуса. Код для расчёта полей опубликован, а Хельсинкский университет подал заявку на патент на метод.