Ултразвукова левитация и нейните промишлени приложения

Ултразвуковата / акустичната левитация е доказана в промишлеността възможност за безконтактно поддържане на леки чувствителни материали, както и за безконтактно манипулиране на проби. Научете повече за ултразвуковата левитация и нейните приложения в промишлеността и науката!

Приложения на ултразвуковата левитация

Акустичната левитация е научно доказан и внедрен в промишлеността метод за безконтактно манипулиране на материали и позициониране на проби. Ултразвуковата левитация като метод за безконтактно манипулиране се използва за работа с детайли с чувствителна повърхност и крехки детайли, например полупроводникови пластини, микрочипове или тънки стъклени плочи, без механично въздействие. Благодарение на безконтактното манипулиране на материали и проби ултразвуковата левитация е внедрена в промишлени, научни и аналитични приложения.
В промишлеността ултразвуковата левитация се използва като надежден метод за безконтактна обработка без съдове на микрочипове и други малки, деликатни обекти, които могат да се повредят дори при лек физически контакт. Друга област на приложение е манипулирането на материали с много висока чистота или химични реагенти, върху които един съд би оказал влияние.

В химията капките, задържани във въздуха, могат да служат като миниатюрни реакционни съдове, позволявайки на изследователите да комбинират реагенти и да наблюдават реакции, като същевременно намаляват замърсяването от стените на съдовете.
Учените в областта на материалознанието използват левитиращи проби за изследване на изпарението, кристализацията и образуването на частици, а изследователите в областта на аналитиката могат да изследват пробите, задържани във въздуха, с оптични и спектроскопски методи.
Специализираните системи за акустично манипулиране подпомагат и транспортирането на крехки компоненти, включително силициеви пластини, микрочипове и тънко стъкло, с по-малък риск от механични повреди.
За течните роботи с броня от частици (PBs) акустичната левитация предлага обещаващо направление за изследвания: транспортиране на капсулирани реагенти, събиране на капки за контролирани реакции и прехвърляне на роботи между станции за обработка, като същевременно се свежда до минимум контактът с околните повърхности. Прочетете повече за акустичната левитация на течни роботи с броня от частици!
 

Принцип на действие на ултразвуковата левитация

Акустичната левитация описва прилагането на ултразвукови вълни във флуид, обикновено газ (например въздух). Когато ултразвуковата вълна се разпространява през газа, звуковата вълна уравновесява силата на тежестта – в резултат обектите могат да се задържат във въздуха без опора. Този ефект на свободно задържане на обект в звукова вълна изисква явлението стояща вълна. Стояща вълна се образува, когато две еднакви вълни, идващи от противоположни посоки, се наслагват една върху друга. Затова в установка за акустична левитация се използва ултразвуков преобразувател за създаване на надлъжни вълни на налягането, а отражател от другата страна отразява вълните, така че еднаквите вълни, идващи от двете страни, да могат да се наслагват и да образуват стоящи вълни.

Възли и пучности: Надлъжната вълна на налягането при интензивен ултразвук позволява безконтактно задържане във въздуха. Такива стоящи ултразвукови вълни имат определени възли. Възелът е областта с минимално налягане, а пучността се определя като областта с максимално налягане. Възлите на стоящата вълна имат централна роля в акустичната левитация.
Ултразвуковите левитатори работят чрез позициониране на полето на стоящата вълна над ултразвукова сонда (т.е. сонотрод) и използване на отражател.

Оборудване за ултразвукова левитация

Hielscher Ultrasonics има дългогодишен и богат опит в проектирането, производството и разпространението на висококачествено ултразвуково оборудване с висока производителност. За акустична левитация Hielscher предлага два стандартни типа левитатори:
 

• UP100H – левитатор с 30kHz, 100 W
• UP400St – левитатор с 24kHz, 400W
• UIP500hdT – левитатор с 20kHz, 500W

Ултразвуковият процесор UP400St е компактна система, в която преобразувателят и генераторът са комбинирани в здрав корпус. Мощният левитатор UIP500hdT с мощност 500 вата има отделни преобразувател и генератор. Благодарение на преобразувателя си със степен на защита IP64 UIP500hdT е идеален за монтаж в среди с високи изисквания.
Ултразвуковите левитатори могат да се монтират като единичен модул или паралелно и могат да работят в линии за обработка с висока скорост и висок капацитет.
За специфични изисквания Hielscher Ultrasonics също така проектира и произвежда левитатори, персонализирани според нуждите на клиента, както и левитатори със собствена разработка.

Литература / Източници

• Hyobin Jeon, K. Park, j.-Y. Sun, H.-Y. Kim (2025): Particle-armored liquid robots. Science Advances Volume 11, Issue 12, 21 Mar 2025.
• Andrade, M.A.B.; Pérez, N.; Adamowski, J.C. (2018): Review of Progress in Acoustic Levitation. Brazilian Journal of Physics 48, 2018. 190–213.
• Malte Junk, Jörn Hinrichs, Fritz Polt, Jonas Fechner, Werner Pauer (2020): Quantitative experimental determination of evaporation influencing factors in single droplet levitation. International Journal of Heat and Mass Transfer, Volume 149, 2020.
• Junk, Malte (2019): Tropfenverdunstung im akustischen Levitator. Dissertation Universität Hamburg. Fachbereich Chemie der Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften, Universität Hamburg 2019.