Analys av olika geometrier och tillämpningar hos akustiska fällor

Abstract

Sedan fenomenet akustisk levitation upptäcktes av August Kundt år 1866 har flera olika sätt att levitera objekt med hjälp av ljud utvecklats. Vid tiden för denna studie är det enkelt och billigt att konstruera en så kallad TinyLev-fälla. TinyLev-fällan består av två arrayer med små högtalare riktade mot en fokuspunkt för att skapa stående vågor. När två identiska ljudvågor interferar skapas en stående våg med noder och antinoder. Ljudvågen orsakar tryckförändringar i luften och kan observeras som ett akustiskt fält och ett tryckfält. I tryckfältets noder kan partiklar mindre än halva ljudets våglängd 𝜆/2 fångas. Med en befintlig sfärisk akustisk fälla som referensobjekt konstruerades två fällor med andra geometrier. En med parabolisk form och en platt med inspiration från Fresnel-linsens geometri. Fällorna ritades i ett CAD-program och skrevs ut i 3D för att sedan monteras med högtalare. Syftet är att jämföra funktion och egenskaper mellan akustiska fällor med olika geometrier. För en visuell jämförelse skapades simuleringar av det akustiska fältet i fällorna. För att visualisera det akustiska fältet i experiment utnyttjades Schlierenoptik. Schlierenoptik gör det möjligt att se densitetsförändringar i luften vilket utnyttjas för att observera trycknoder och tryckantinoder som ljusa respektiva mörka områden i en bild. Bilder tagna med hjälp av Schlierenoptik jämfördes sedan med simuleringar av det akustiska fältet. Spektroskopitillämpning av akustiska fällor undersöktes i syfte att jämföra och testa en aktuell metod för kemisk analys. För detta utfördes fluorecensspektroskopi med olivolja och lasrar med olika våglängder. De två nya geometrierna för akustiska fällor fungerar väl för att levitera partiklar av frigolit. I den paraboliska akustiska fällan kan partiklar levitera i noder längs flera olika axlar. Med den uppställning som användes är det inte möjligt att levitera droppar av vätska. Detta resultat förväntas bero på att det akustiska fältet är för svagt i de konstruerade fällorna, något som även observerats i simuleringar. Den sfäriska akustiska fällan fungerade för att utföra fluorescensspektroskopi och är ett bra tillvägagångssätt. Resultatet visade på fluorescens hos olivoljan för blå och grön laser. Röd laser visade svaga tecken på fluorescens, en förbättring kan vara att använda känsligare instrument. Schlierenoptiken gjorde det möjligt att observera fällornas akustiska fält. Vidare konstateras att simuleringarna stämmer överens med Schlierenfotografier av akustiska fält för de sfäriska och paraboliska fällorna. Simuleringen stämde inte överens med Fresnel-fällans fält. Det akustiska fältet hade som störst intensitet nära fokuspunkten för Fresnel-fällan, denna egenskap är samma för en sfärisk fälla.