Une nouvelle technique de lévitation acoustique permet de manipuler plusieurs particules simultanément. La lévitation acoustique, c’est-à-dire l’utilisation de la pression générée par des ondes sonores pour faire léviter certains objets, existe depuis de nombreuses années maintenant. La manipulation et le déplacement d’une particule grâce à cette technique sont des développements récents. Mais une équipe d’ingénieurs anglo-espagnols est allée encore plus loin en réalisant ce processus pour plusieurs particules simultanément. C’est l’oeuvre des ingénieurs Asier Marzo de l’Université publique de Navarre à Pampelune et de Bruce Drinkwater, de l’Université de Bristol au Royaume-Uni. Les deux chercheurs ont créé un dispositif de lévitation acoustique capable de déplacer non pas une, mais plusieurs particules, dans des directions différentes. Cependant, les lasers ne conviennent pas à tous les matériaux ni à toutes les applications, car ils nécessitent un support transparent pour la pénétration des photons et ne sont capables que de manipuler des particules de la taille d’un micromètre.
1810.00258. Standing Sound Waves (Longitudinal Standing Waves) However, sound waves are longitudinal waves and the particle motion associated with a standing sound wave in a pipe is directed along the length of the pipe (back and forth along the pipe axis, or left and right horizontally for the images shown at right). It is a bit more difficult to imagine horizontal motion depicted by graphs that appear to show vertical displacement, and this is the problem I have with most textbook treatments of standing sound waves. For example, Figure 6-6 shown at the right is from a specialized textbook[1] that I used for several years while teaching a junior level physics of waves course to physics majors. The figure caption states that the figure shows "standing waves in a pipe" but does not indicate what quantity (displacement or pressure?) Is being represented by this "standing wave profile. " The caption also mentions the "amplitude of the standing wave" but again does not define what that amplitude represents.
GauntLev | Proceedings of the 2016 CHI Conference on Human Factors in Computing Systems. Strömungsforschung. Diese Fotos als Animationsfilm Die Analyse der LDA-Messungen ergab, dass im Bereich des Kernstichs die Strömungsgeschwindigkeit deutlich niedriger und beruhigter war als im übrigen Bereich der Kernspalte. Auch die Transversalschwingungen waren niedriger. Dies sind Wellenbewegungen, die sich quer zur Bewegungsrichtung des Luftblattes ausbreiten und dieses stören. Deutlich zu erkennen ist bei der gedeckten Pfeife ein zusätzliches Pulsieren des Luftblattes in Strömungsrichtung. Immer dann wenn der Luftstrom nach außen schwingt, strömt die Luft über eine längere Strecke mit hoher Geschwindigkeit aus der Kernspalte als in dem Moment, in dem das Blatt nach innen fließt (Abb. 19).
In der Grafik erkennt man diesen Effekt an einer längeren roten Färbung des Luftblattes oberhalb der Kernspalte. Dieses Geschwindigkeitsprofil einer gedeckten Pfeife als animierte Grafik Akustische Analyse Die deutlichsten Änderungen durch das Anbringen von Kernstichen waren bei der akustischen Untersuchung zu sehen. Schlieren Optics | Harvard Natural Sciences Lecture Demonstrations.
Optical technique that allows us to see small changes in the refractivity of air and other transparent media. What it Shows Refraction due to inhomogeneity in air is made visible by our single-mirror schlieren optics setup. The refraction can be caused by changes in the density, temperature, or pressure of the air immediately in front of the concave mirror. With a video camera and monitor, we can see warm convection currents rising from a candle flame or, alternatively, cold air sinking from a glass of ice water. The jet of warm air from an ordinary hair dryer is made dramatically visible. The flow of gases other than air can also be visualized with this technique. This video of our setup shows the pressure antinodes of an ultrasonic standing wave as bright bands: One can also demonstrate the diffraction of light around objects. How It Works A long focal-length mirror is used to focus a point source of light onto a thin wire (or razor blade edge), which acts as a light block.
N − 1 = kρ. Schlieren Optics | Harvard Natural Sciences Lecture Demonstrations. Standing Sound Waves (Longitudinal Standing Waves) Déplacement d’objets par lévitation acoustique. Transporter de la matière sans contact peut avoir bien des intérêts, tant pour l’étude de nombreux phénomènes physiques que pour des processus biochimiques.
Des scientifiques de l’Eidgenössische Technische Hochschule (ETH), Zürich, Suisse, viennent de franchir un grand pas dans cette direction. Ils ont en effet réalisé un système permettant un déplacement plan continu de particules solides ou de gouttes maintenues en lévitation dans l’air. On obtient ainsi un véritable manipulateur d’objets sans contact. Fig.1. Schéma du manipulateur sans contact de gouttes par lévitation avec son mécanisme d’excitation. Dans cet exemple, on introduit les gouttelettes en trois endroits (entrées 1, 2 et 3) dans un système de lévitation. Certains corps, dits piézoélectriques, possèdent la propriété de se charger électriquement sous l’action d’une contrainte mécanique et, réciproquement, de se déformer lorsqu’on leur applique un champ électrique.
Le déplacement contrôlé d’objet par lévitation acoustique. Des pinces acoustiques 3D. Depuis déjà deux décades, des physiciens, des chimistes et des biologistes utilisent des pinces optiques (cf le blog des sciences 12 nov 2013) pour piéger dans un faisceau laser et manipuler sous un microscope des objets de taille allant de quelques nanomètres à des centaines de micromètres, atomes, molécules, bactéries, virus, ADN, etc… Il existe aussi des pinces acoustiques qui utilisent des ondes ultrasonores. Elles permettent de manipuler sans contact des objets allant du micromètre au centimètre avec quelques avantages sur les pinces optiques.
Celles-ci ont connu un immense progrès avec la mise au point des pinces optiques holographiques qui permettent la manipulation indépendante de plusieurs particules qu’on peut grouper en microstructures à 3 dimensions. Les avantages des pinces acoustiques holographiques On a réussi récemment à gérer la dynamique de particules piégées acoustiquement à 3 dimensions mais sans contrôle individuel des particules. Fig.2. Pour en savoir plus : Dexterous acoustic tweezers. Une modélisation pour les lentilles acoustiques | INSIS. Pour manipuler une onde, la taille des éléments dépend de sa longueur d’onde. Ainsi, une lentille façonnée pour un laser très énergétique pourra être minuscule, alors qu’une onde acoustique peut demander un équivalant se comptant en mètres. Un groupement de chercheurs a cependant développé des systèmes pour fabriquer des lentilles acoustiques bien plus petites. Elles reproduisent l’image tridimensionnelle d’une source sonore émettant à 10,6 kHz, grâce à un cristal sur mesure d’une quinzaine de centimètres de haut et de large, pour six d’épaisseur.
Cette lentille a été assemblée à partir de quatre cents sphères en résine polymère, obtenues par une imprimante 3D. La taille des sphères et leur espacement ont été déterminés par des simulations simplifiant la propagation de l’onde, en la comparant ici à un système de type masse-ressort. L’ensemble se comporte en effet comme un cristal phononique, propriété n’existant pas dans les milieux continus. Références : Des "pinces acoustiques" à base d'élastomère et d'ultrasons. CIBLE. C'est un petit disque blanchâtre de quelques centimètres de diamètre fait de cercles concentriques, comme une cible, de plus en plus opaques. Il s'agit d'un élastomère en silicone conçu par une équipe du CNRS. Il fait l'objet d'un article publié dans Nature Communications ainsi que d'un dépôt de brevet. " C'est un matériau extrêmement fin avec lequel on peut manipuler une onde ultrasonore ", précise Thomas Brunet, maître de conférence à l'Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux, unité mixte CNRS/Université de Bordeaux.
Le principe de contrôler une onde, lumineuse ou sonore, avec un matériau ultrafin est en lui-même est connu. Un vortex acoustique pour piéger un objet en son milieu Surtout, il devient possible de créer plusieurs zones de porosité différentes sur une même lentille. CIBLE. Le principe de contrôler une onde, lumineuse ou sonore, avec un matériau ultrafin est en lui-même est connu. Un vortex acoustique pour piéger un objet en son milieu. Capture. Capture. Les ultrasons font léviter les objets. L'une des principales limitations des instruments d’observation comme le microscope est en passe d’être levée grâce à… la lévitation ! Cette limitation, c’est celle des reflets des lamelles de verre qui emprisonnent l’échantillon. « Aussi transparente soit-elle, la lamelle créera toujours des interférences », constate Asier Marzo, chercheur à l’université de Bristol (Royaume-Uni).
Sa solution : faire léviter l’échantillon pour que l’information visuelle captée par le microscope ne soit plus polluée. Le projet de lévitation acoustique TinyLev a aussi pour ambition d’être peu onéreux, peu encombrant et réalisable par impression 3D. Aussi, pour que des laboratoires ou des écoles puissent s’en équiper, le scientifique a-t-il mis en ligne le code source et publié un tutoriel en vidéo. Des éléments fiables et faciles à se procurer L’appareil embarque 36 transducteurs de 10 mm de diamètre qui convertissent un signal électrique en ondes acoustiques. Des éléments fiables et faciles à se procurer. VIDÉO. Lévitation par ultrasons. PROUESSE. Yoichi Ochiai et Jun Rekimoto, tous deux chercheurs à l'université de Tokyo ainsi que Takayuki Hoshi de l'Institut de Technologie de Nagoya ont réussi à faire léviter puis manipuler des objets légers en utilisant des faisceaux d'ultrasons.
Des ventres et des nœuds L'astuce consiste à créer dans la zone de lévitation un réseau d'ondes stationnaire ultrasonores. Il se crée ainsi localement des ventres de vibration, où le mouvement des molécules d'air est maximal, et des nœuds de vibration où il est nul. En "coinçant" les particules à déplacer entre deux ventres de vibrations, donc au creux d'un nœud, il devient possible de les soulever puis de les déplacer à sa guise en modifiant le réseau d'ondes stationnaires et en déplaçant ainsi la position des ventres et des nœuds. Reste que, si dans son principe, le procédé simple être simple, le mettre en pratique l'est moins. MINI HAUT-PARLEURS. Dans la pratique, un jeu de DSP gére les transducteurs par groupes. PIÈCES MÉCANIQUES. These archivage 2964291o. Holographic acoustic elements for manipulation of levitated objects. Characterizing a Levitation Point The acoustic radiation force (F) exerted on a small spherical particle can be calculated from the gradient of the Gor’kov potential1 U: We characterize a levitation point as a maximum of the Laplacian operator (convergence of the gradient) applied to the Gor’kov potential, that is, a point towards which all the forces converge. where and a=x, y, z are the Cartesian axes.
The Gor’kov potential, U, in terms of the complex acoustic pressure (p) and its spatial derivatives is given by: where V is the volume of the spherical particle, ω is the frequency of the emitted waves, ρ is the density and c is the speed of sound (with the subscripts 0 and p referring to the host medium and the particle material, respectively). If an acoustic transducer emits with a constant frequency and amplitude, then the complex pressure that the jth transducer creates at a point can be expressed as: is the phase delay of the transducer and To predict the . Objective function . . . Les métasurfaces font danser le « twist » aux ultrasons | CNRS. Les métasurfaces acoustiques sont des matériaux très fins capables de moduler les fronts d’ondes sonores. Des chercheurs du CNRS, de Bordeaux INP et de l’Université de Bordeaux viennent d’en développer une nouvelle génération qui peut dévier, focaliser ou encore « twister » les ondes ultrasonores.
Le matériau utilisé est un élastomère poreux à base de silicone qui est plus souple et plus facile à mettre en forme que les métasurfaces existantes. Comme la vitesse du son décroit fortement avec la porosité dans ces matériaux, il est possible de créer des gradients de vitesse de propagation des ondes en modifiant localement la porosité. De plus, ces métasurfaces poreuses fonctionnent dans l’eau et sur une large bande de fréquences. Ces lentilles acoustiques plates, simples d’utilisation et peu coûteuses, ouvrent des perspectives pour l’imagerie médicale. Asier Marzo Perez on acoustic levitation. Acoustophoresis | Biomedical Engineering. The first microfluidic acoustophoresis chips at the department was developed in 2000.
The way of actuating the silicon chip by putting an ultrasonic transducer underneath the chip while receiving a standing wave perpendicular to the flow channel was truly novel [3]. One of the major benefits is the possibility to visually inspect the separation efficiency through the glass lid, something which is hard if the node plane is in parallel with the transducer. Below follows a short presentation of some applications, for more information click on the heading of each application. Blood WashOne of the earliest applications was a system to wash blood. Lipid particles that contaminated the blood were efficiently removed as lipids are moved to anti nodes in contrast to blood cells. In a half wavelength acoustophoretic system the lipids were thus moved towards the side walls while blood cells were gathered in the central node thus effectively separating them from each other. Holographic acoustic tweezers could be used to create 3D displays.
Supplement to Holographic acoustic tweezers. Acoustic Levitation for All: Microgravity Experiments, Futuristic Displays, and Fun. Lévitation acoustique avec des métamatériaux réfléchissants optimisés | Rapports scientifiques. Computational operation To maintain the most generic case, we will consider a generic levitator to be comprised of one or more ultrasonic sources, distributed in a surface, and of an opposing acoustic metamaterial, which acts as a reflector. The transducers can be either single-phased or, for a system with more degrees of freedom, arranged in a PAT. The metamaterial’s elements are displaced at various heights from the metamaterial’s datum (see Fig. 1), creating a distribution of delay paths of reflecting waves.
To calculate the acoustic pressure p in a generic point (\(x,y,z\)) between the emitters and the metamaterial, we consider the direct and the reflected signal, as in Eq. (1): $${p}_{(x,y,z)}=\mathop{\underbrace{{p}_{d(x,y,z)}}}\limits_{direct\,signal}+\mathop{\underbrace{{p}_{r(x,y,z)}}}\limits_{reflected\,signal},$$ where the pressures include the contributions of all the transducers and the elements of the metamaterial.
Traps quality Experimental realization. Ultraino: DIY ultrasonic airborne phased-array 64 channels. Open Source Ultrasonic Phased Array. If you paid attention in your physics class, the concept of how these array work shouldn't be too hard to understand. If you watched the youtube video in the description, you already know what such an array looks like. If not, here is a video of my second generation ultrasonic phased array: As you can see, the array basically consists of 19x19 ultrasonic transmitters, mounted on the top of four stacked pcbs. Let's imagine we only have two of these transmitters.
The only reason this is ultrasound is because these frequencies (40kHz) are not hearable by humans and most mammals. We have these two transmitters right next to each otter, and each transmitter outputs the same sinusoidal waveform with the same frequency. As we keep adding more transmitters with the same frequency, the interference gets stronger and stronger. As you can see, apart from some measurement errors, the transmitted beam is rather uniform. This is exactly what the project is all about. Fast acoustic tweezers. D. Baresch - Pince acoustique : vers une nouvelle plateforme d’essais micromécaniques sans contact - LMA - Laboratoire de Mécanique et d'Acoustique. Piéger et manipuler un objet sans contact avec un faisceau acoustique | INP.
Le plus puissant rayon tracteur acoustique fait léviter de plus gros objets avec une plus grande stabilité. January: acoustic tractor beam | News and features. Les métasurfaces font danser le « twist » aux ultrasons | CNRS. 120, 044301 (2018) - Acoustic Virtual Vortices with Tunable Orbital Angular Momentum for Trapping of Mie Particles. A One-Sided View of Acoustic Traps. 116, 024301 (2016) - Observation of a Single-Beam Gradient Force Acoustical Trap for Elastic Particles: Acoustical Tweezers. Flat acoustics with soft gradient-index metasurfaces.
Un pas de plus vers la maîtrise de la lévitation acoustique. La lévitation, à portée de haut-parleur ? [1312.4006] Three-dimensional Mid-air Acoustic Manipulation by Ultrasonic Phased Arrays. References For: Phys. Rev. Lett. 120, 044301 (2018) - Acoustic Virtual Vortices with Tunable Orbital Angular Momentum for Trapping of Mie Particles. LaVision. Pixie Dust: Graphical Levitation System (2014-) Cette extraordinaire technique vous fait voir l'invisible. Lévitation acoustique // Acoustic levitation. Three-Dimensional Mid-Air Acoustic Manipulation [Acoustic Levitation] (2014-) Acoustic Levitation in ULTRA SLOW MOTION - Smarter Every Day 134. Cette incroyable expérience vous révèle les mouvements invisibles de l'air. Strioscopie ou comment visualiser les mouvements de l'air - L'orgue de barbarie de Bernard plan stage midi carton. TPE Lévitation Acoustique - Bibliographie. 44 memoire. Memoire. Acoustic Levitator : 26 Steps (with Pictures) - Instructables.
Watch WIRED News and Science | Scientist Explains How to Levitate Objects With Sound | WIRED Video | CNE. Memoire. Essayez la lévitation acoustique chez vous. Le dessin acoustique ! - Figures de Chladni - [Science 2.0] TinyLev: Un lévitateur acoustique multi-émetteur mono-axe: Review of Scientific Instruments: Vol 88, No 8. How to build your own DIY makeshift levitation machine at home. Le dessin acoustique ! - Figures de Chladni - [Science 2.0] Memoire. Memoire. Ultrasonic Levitation. Acoustic Levitator : 26 Steps (with Pictures) - Instructables. Watch WIRED News and Science | Scientist Explains How to Levitate Objects With Sound | WIRED Video | CNE. TinyLev: Un lévitateur acoustique multi-émetteur mono-axe: Review of Scientific Instruments: Vol 88, No 8. Lévitation acoustique : où en sont les recherches ?