Ультразвуковая левитация и её промышленное применение

Ультразвуковая / акустическая левитация – это проверенный в промышленности способ бесконтактного удержания лёгких чувствительных материалов, а также бесконтактного обращения с образцами. Узнайте больше об ультразвуковой левитации и её применении в промышленности и науке!

Применение ультразвуковой левитации

Акустическая левитация – это научно подтверждённый и внедрённый в промышленности метод бесконтактного обращения с материалами и позиционирования образцов. Ультразвуковая левитация как метод бесконтактного обращения используется для манипулирования хрупкими изделиями и изделиями с чувствительной поверхностью, например пластинами, микрочипами или тонкими стеклянными пластинами, без механического воздействия. Благодаря бесконтактному обращению с материалами и образцами ультразвуковая левитация нашла применение в промышленности, научных исследованиях и аналитике.
В промышленности ультразвуковая левитация используется как надёжный метод бесконтактной обработки без контейнеров микрочипов и других небольших хрупких объектов, которые могут повреждаться даже при лёгком физическом контакте. Другая область применения – обращение с материалами очень высокой чистоты или химическими реагентами, на которые повлиял бы контакт с контейнером.

В химии капли, удерживаемые во взвешенном состоянии, могут служить миниатюрными реакционными сосудами, позволяя исследователям объединять реагенты и наблюдать реакции, одновременно уменьшая загрязнение от стенок сосудов.
Специалисты по материаловедению используют левитирующие образцы для изучения испарения, кристаллизации и образования частиц, а исследователи в области аналитики могут изучать образцы во взвешенном состоянии с помощью оптических и спектроскопических методов.
Специализированные акустические системы обращения с материалами также обеспечивают транспортировку хрупких компонентов, включая кремниевые пластины, микрочипы и тонкое стекло, с меньшим риском механического повреждения.
Для жидких роботов с оболочкой из частиц (PBs) акустическая левитация представляет собой перспективное направление исследований: транспортировка инкапсулированных реагентов, сближение капель для проведения контролируемых реакций и перемещение роботов между станциями обработки при минимизации контакта с окружающими поверхностями. Узнайте больше об акустической левитации жидких роботов с оболочкой из частиц!
 

Принцип действия ультразвуковой левитации

Акустическая левитация подразумевает воздействие ультразвуковых волн на текучую среду, обычно газ (например, воздух). При распространении ультразвуковой волны в газе звуковая волна уравновешивает силу тяжести – в результате объекты могут зависать в воздухе без опоры. Для такого свободного зависания объекта в звуковой волне необходимо явление стоячей волны. Стоячая волна образуется, когда две одинаковые волны, распространяющиеся в противоположных направлениях, накладываются друг на друга. Поэтому в установке для акустической левитации ультразвуковой преобразователь используется для создания продольных волн давления, а отражатель с другой стороны отражает волны, благодаря чему одинаковые волны, приходящие с обеих сторон, могут накладываться друг на друга и образовывать стоячую волну.

Узлы и пучности: Продольная волна давления интенсивного ультразвука позволяет бесконтактно удерживать объекты в воздухе. Такие стоячие ультразвуковые волны имеют определённые узлы. Узел – это область минимального давления, а пучность определяется как область максимального давления. Узлы стоячей волны играют центральную роль в акустической левитации.
Ультразвуковые левитаторы работают за счёт формирования поля стоячей волны над ультразвуковым зондом (то есть сонотродом) и использования отражателя.

Оборудование для ультразвуковой левитации

Hielscher Ultrasonics обладает многолетним обширным опытом проектирования, производства и поставок высококачественного, высокопроизводительного ультразвукового оборудования. Для акустической левитации Hielscher предлагает два стандартных типа левитаторов:
 

• UP100H – левитатор с частотой 30kHz и мощностью 100 W
• UP400St – левитатор с частотой 24kHz и мощностью 400W
• UIP500hdT – левитатор с частотой 20kHz и мощностью 500W

Ультразвуковой процессор UP400St представляет собой компактную систему, в которой преобразователь и генератор объединены в прочном корпусе. Мощный левитатор UIP500hdT мощностью 500 ватт оснащён отдельными преобразователем и генератором. Благодаря преобразователю со степенью защиты IP64 UIP500hdT идеально подходит для установки в сложных условиях эксплуатации.
Ультразвуковые левитаторы можно устанавливать по отдельности или параллельно, и они способны работать в высокоскоростных технологических линиях с высокой производительностью.
Для удовлетворения особых требований Hielscher Ultrasonics также проектирует и производит левитаторы по индивидуальному заказу и левитаторы собственной разработки.

Литература / Источники

• 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.