「叫ぶ」だけでボールを空中に浮かせることができるでしょうか？それは魔法ではなく、音の力です

誰もボールに触れなかったが、ボールは空中に安定して留まっていた。これは何かの魔法でしょうか？いや、これが超音波浮遊の魅力なんです。

有名な SF 作家アーサー・C・クラークはかつてこう言いました。「十分に進歩した技術は魔法と区別がつかない。」音響浮上技術は、それを見た人は誰もがその魔法に驚嘆するほどの魔法の存在です。

超音波浮遊水滴

(画像提供: アルゴンヌ国立研究所)

パート1

物体を浮かせるのは磁力だけではなく、音でも可能です。

サスペンションといえば、磁気浮上列車を思い浮かべるかもしれません。その原理は、電磁力を利用して列車と線路の間の非接触のサスペンションとガイドを実現し、それによって速度を質的に向上させることです。しかし、磁気浮上に加えて音響浮上技術もあることを知らない人も多いかもしれません。

1866年、ドイツの物理学者アウグスト・クントは、音速測定実験で、反応管内の塵粒子が音波の下で自由に浮遊し、踊ることを発見しました。これが音響浮上現象です。

高強度音波によって生成される音響放射力が物体に作用し、物体の重力をバランスさせ、物体が容器の壁に接触することなく長時間宇宙空間に浮かぶことを可能にします。これは音響浮上現象であり、摩耗や汚染などの問題を回避します。

他の懸架技術と比較した音響浮上の主な利点は、対象となる懸架物質に対する制限がほとんどないことです。設備基盤がシンプルで導入の難易度が低い。強力なサスペンション能力など

単純な超音波浮上装置（左）と浮上状態における超音波場の分布

(画像出典: Wikipedia)

パート2

高温では不安定になりますか?システムが解決する

2022年、中国科学院音響研究所の研究者らは、高温物体の物理的特性を測定するための超音波サスペンションシステムを開発しました。

このシステムがレーザー加熱しながら物体を吊り下げることができること、つまり、物体が加熱されて相変化（一般的な相変化は固体から液体、そして気体への変化）を起こした後も安定した状態を保つためには、レーザー加熱、サンプルの相変化、ガス乱流温度場が音響場に与える影響を総合的に考慮する必要があります。ガスリフトとレーザー加熱を組み合わせることで、トランスデューサの表面形状を設計し、トランスデューサの帯域幅を改善することで、トランスデューサの一貫性が実現されます。温度場と音響場の結合パラメータを最適化することで、高温、気流速度、サイズが音響場に与える影響を解決し、高温物体を安定して浮遊させ、関連するパラメータを自動調整するシステムを実現します。

高温場と音響場の結合による安定した音響サスペンションシステムの概略図

（画像提供：中国科学院音響研究所）

このシステムの中核となるデバイスは、互いに向かい合う 6 つの音響トランスデューサーの 3 つのグループと、それに対応するコントローラーおよび制御ソフトウェアで構成されており、金属ボールを安定して吊り下げることができます。このシステムは、焦点を絞ったレーザーを使用して、超音波浮遊場内の小さなボールを加熱し、溶融状態に変えます。高温と気流が音場に与える影響を十分に考慮した上で、システムの共鳴距離、電力などのパラメータを調整することで、1800℃を超える高温溶融物を安定した浮遊状態に保つことができます。同時に、低周波信号（200 Hz 未満）を使用して液滴を刺激し、密度、粘性係数、およびその他のパラメータを測定することで、従来の音響浮上測定方法が高温のために失敗するという問題を解決します。

高温温度場と音響場の結合により音響サスペンションシステムを安定化

（画像提供：中国科学院音響研究所）

超音波サスペンションはサスペンション技術における研究のホットスポットです。システムの懸架安定性、特に高温物体が存在する場合のシステムの安定性をどのように向上させるかが、研究の焦点であり、難しいところです。これまで、研究者たちは小さな粒子、液滴、さらには小さな昆虫の浮遊に成功してきましたが、高温の物体の浮遊と配向にはあまり成功してきませんでした。

超音波で浮かぶ小さな生き物

（画像出典：参考文献[1]）

中国科学院音響研究所が高温物体の物理的特性を測定するために開発した超音波サスペンションシステムは、音響場と温度場の最適分布と制御の研究を組み合わせ、レーザー加熱、ガスリフトなどの手段を使用して、密度が10,000 kg/m^3未満の物体（液滴、鋼球、銅球、酸化金属球など）を10センチメートル以上の空間に非接触で安定してサスペンションします。

このシステムは、半導体製造、微小電気機械システム、機械組立、生化学、薬物調製、固体物理学、地上および宇宙実験研究の分野で広く注目されており、幅広い応用の見通しがあります。

浮遊液滴

（画像提供：中国科学院音響研究所）

科学者たちの努力のおかげで、音響浮遊の「魔法」はますます強力な力を発揮してきました。音響浮上技術は今後、さまざまな分野でさらなる「魔法」を発揮すると信じています。

参考文献

[1] Xie,WJ、et al.小型生物の浮遊のための音響法[J]。応用物理学レター89.21（2006）：214102。

制作：中国科学普及協会

著者: 王暁珍、徐徳龍 (中国科学院音響研究所超音波研究室)

プロデューサー: 中国科学博覧会

この記事は著者の見解のみを表しており、中国科学博覧会の立場を代表するものではありません。

この記事は中国科学博覧会（kepubolan）に最初に掲載されました。

転載の際は公開アカウントの出典を明記してください