Αιώρηση με υπερήχους και οι βιομηχανικές εφαρμογές της

Η υπερηχητική / ακουστική αιώρηση αποτελεί μια βιομηχανικά δοκιμασμένη επιλογή για τη στήριξη ελαφρών, ευαίσθητων υλικών χωρίς επαφή, καθώς και για τον χειρισμό δειγμάτων χωρίς επαφή. Μάθετε περισσότερα για την αιώρηση με υπερήχους και τις εφαρμογές της στη βιομηχανία και την επιστήμη!

Εφαρμογές της αιώρησης με υπερήχους

Η ακουστική αιώρηση είναι μια επιστημονικά αποδεδειγμένη μέθοδος, η οποία έχει υιοθετηθεί στη βιομηχανία για τον χειρισμό υλικών και την τοποθέτηση δειγμάτων χωρίς επαφή. Η αιώρηση με υπερήχους χρησιμοποιείται ως μέθοδος χειρισμού χωρίς επαφή για τον χειρισμό εύθραυστων τεμαχίων με ευαίσθητες επιφάνειες, π.χ. δισκίων ημιαγωγών, μικροτσίπ ή λεπτών γυάλινων πλακών, χωρίς μηχανική καταπόνηση. Χάρη στον χειρισμό υλικών και δειγμάτων χωρίς επαφή, η αιώρηση με υπερήχους έχει εφαρμοστεί σε βιομηχανικές, επιστημονικές και αναλυτικές εφαρμογές.
Στη βιομηχανία, η αιώρηση με υπερήχους χρησιμοποιείται ως αξιόπιστη μέθοδος για την επεξεργασία μικροτσίπ και άλλων μικρών, ευπαθών αντικειμένων χωρίς επαφή και χωρίς δοχείο, καθώς αυτά είναι επιρρεπή σε ζημιές ακόμη και από ελαφρά φυσική επαφή. Ένα άλλο πεδίο εφαρμογής είναι ο χειρισμός υλικών πολύ υψηλής καθαρότητας ή χημικών αντιδρώντων, τα οποία θα επηρεάζονταν από ένα δοχείο.

Στη χημεία, τα αιωρούμενα σταγονίδια μπορούν να χρησιμεύσουν ως μικροσκοπικά δοχεία αντίδρασης, επιτρέποντας στους ερευνητές να συνδυάζουν αντιδραστήρια και να παρατηρούν αντιδράσεις, μειώνοντας παράλληλα την επιμόλυνση από τα τοιχώματα των δοχείων.
Οι επιστήμονες υλικών χρησιμοποιούν αιωρούμενα δείγματα για να διερευνήσουν την εξάτμιση, την κρυστάλλωση και τον σχηματισμό σωματιδίων, ενώ οι ερευνητές στον τομέα της ανάλυσης μπορούν να εξετάζουν αιωρούμενα δείγματα με οπτικές και φασματοσκοπικές τεχνικές.
Εξειδικευμένα συστήματα ακουστικού χειρισμού υποστηρίζουν επίσης τη μεταφορά εύθραυστων εξαρτημάτων, όπως δισκίων πυριτίου, μικροτσίπ και λεπτού γυαλιού, με μικρότερο κίνδυνο μηχανικής βλάβης.
Για τα υγρά ρομπότ με θωράκιση από σωματίδια (PBs), η ακουστική αιώρηση προσφέρει μια πολλά υποσχόμενη ερευνητική κατεύθυνση: μεταφορά ενθυλακωμένων αντιδραστηρίων, συνένωση σταγονιδίων για ελεγχόμενες αντιδράσεις και μεταφορά ρομπότ μεταξύ σταθμών επεξεργασίας, ελαχιστοποιώντας παράλληλα την επαφή με τις γύρω επιφάνειες. Διαβάστε περισσότερα για την ακουστική αιώρηση υγρών ρομπότ με θωράκιση από σωματίδια!
 

Αρχή λειτουργίας της αιώρησης με υπερήχους

Η ακουστική αιώρηση περιγράφει την εφαρμογή υπερηχητικών κυμάτων σε ένα ρευστό, συνήθως αέριο (π.χ. αέρα). Όταν το υπερηχητικό κύμα διαδίδεται μέσα στο αέριο, το ηχητικό κύμα αντισταθμίζει τη δύναμη της βαρύτητας – με αποτέλεσμα τα αντικείμενα να μπορούν να αιωρούνται στον αέρα χωρίς στήριξη. Αυτό το φαινόμενο της ελεύθερης αιώρησης ενός αντικειμένου μέσα σε ένα ηχητικό κύμα απαιτεί το φαινόμενο του στάσιμου κύματος. Ένα στάσιμο κύμα σχηματίζεται όταν δύο πανομοιότυπα κύματα που προέρχονται από αντίθετες κατευθύνσεις υπερτίθενται. Επομένως, σε μια διάταξη ακουστικής αιώρησης χρησιμοποιείται ένας μετατροπέας υπερήχων για τη δημιουργία διαμήκων κυμάτων πίεσης και ένας ανακλαστήρας στην άλλη πλευρά ανακλά τα κύματα, ώστε τα πανομοιότυπα κύματα που προέρχονται από τις δύο πλευρές να μπορούν να υπερτεθούν και να σχηματίσουν ένα στάσιμο κύμα.

Δεσμοί και κοιλίες: Το διαμήκες κύμα πίεσης των υπερήχων υψηλής έντασης επιτρέπει την αιώρηση στον αέρα χωρίς επαφή. Τέτοια στάσιμα υπερηχητικά κύματα έχουν καθορισμένους δεσμούς. Ένας δεσμός είναι η περιοχή ελάχιστης πίεσης, ενώ μια κοιλία ορίζεται ως η περιοχή μέγιστης πίεσης. Οι δεσμοί ενός στάσιμου κύματος βρίσκονται στο επίκεντρο της ακουστικής αιώρησης.
Οι συσκευές αιώρησης με υπερήχους λειτουργούν με την τοποθέτηση του πεδίου στάσιμου κύματος πάνω από έναν καθετήρα υπερήχων (δηλ. ηχοτρόδιο) και τη χρήση ενός ανακλαστήρα.

Εξοπλισμός αιώρησης με υπερήχους

Η Hielscher Ultrasonics διαθέτει μακρόχρονη και εκτενή εμπειρία στον σχεδιασμό, την κατασκευή και τη διανομή εξοπλισμού υπερήχων υψηλής ποιότητας και υψηλών επιδόσεων. Για την ακουστική αιώρηση, η Hielscher προσφέρει δύο τυποποιημένους τύπους συσκευών αιώρησης:
 

• UP100H – συσκευή αιώρησης 30kHz, 100 W
• UP400ST – συσκευή αιώρησης 24kHz, 400W
• UIP500hdT – συσκευή αιώρησης 20kHz, 500W

Ο επεξεργαστής υπερήχων UP400St είναι ένα συμπαγές σύστημα, στο οποίο ο μετατροπέας και η γεννήτρια συνδυάζονται σε ένα ανθεκτικό περίβλημα. Η ισχυρή συσκευή αιώρησης UIP500hdT των 500 watts διαθέτει ξεχωριστό μετατροπέα και γεννήτρια. Με τον μετατροπέα βαθμού προστασίας IP64, το UIP500hdT είναι ιδανικό για εγκατάσταση σε απαιτητικά περιβάλλοντα.
Οι συσκευές αιώρησης με υπερήχους μπορούν να εγκατασταθούν μεμονωμένα ή παράλληλα και είναι ικανές να λειτουργούν σε γραμμές επεξεργασίας υψηλής ταχύτητας και υψηλής παραγωγικής δυναμικότητας.
Για ειδικές απαιτήσεις, η Hielscher Ultrasonics σχεδιάζει και κατασκευάζει επίσης εξατομικευμένες συσκευές αιώρησης και συσκευές αποκλειστικού σχεδιασμού.

Βιβλιογραφία / Αναφορές

• 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.