Ingeniería acústica: levitación de objetos

Hoy os presentamos el fenómeno de la Levitación Acústica, un fenómeno en constante avance que genera múltitud de aplicaciones dentro del campo de la ingeniería acústica. Esta técnica consiste en hacer levitar objetos mediante el sonido.

La levitación de objetos puede realizarse a partir de distinto fenómenos físicos como aplicando fuerzas magnéticas, electrostáticas, aerodinámicas, de radiación, etc. En este artículo os explicamos la levitación mediante las fuerzas generadas por el sonido, en concreto la levitación producida por ondas estacionarias.

Para poder hacer levitar un objeto necesitamos que el sonido ejerza una fuerza sobre el objeto que pueda vencer la fuerza de la gravedad y que al mismo tiempo las partículas queden confinadas en un punto concreto. Las fuerzas generadas por las ondas sonoras suelen ser débiles por eso necesitamos ondas sonoras de alta intensidad para crear efectos no lineares. Para poder crear un campo acústico donde las partículas queden suspendidas necesitamos crear ondas estacionarias. Las ondas estacionarias son las ondas sonoras que se forman por la interferencia de dos ondas de las mismas propiedades (amplitud, frecuencia, etc.) que viajan en sentido opuesto.

El sonido se propaga a través del aire desplazando las partículas durante el paso de la onda sonora. Se forman zonas de máximos y mínimos de presión y puntos inmóviles (nodos). Cuando estas partículas quedan confinadas en un nodo se produce la levitación acústica.

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Si vemos un ejemplo de una configuración típica para levitar objetos con sonido, tendríamos un generador de ultrasonidos que crea ondas sonoras y un reflector donde se reflejan las ondas sonoras incidentes. (Figura inferior).

 Figura de montage extraída del artículo CD levitation

El generador de ultrasonidos crea un sonido de una determinada frecuencia. Si la distancia entre generador y reflector es un múltiple de la mitad de la longitud de onda del sonido emitido, la onda sonora emitida y la reflejada crearan interferencia produciendo una onda estacionaria. Se utilizan ultra sonidos, sonidos de frecuencias muy elevadas y niveles de presión sonora muy elevados (150dB) que crean efectos no lineares de este modo el nivel de presión sonora de los antinodos superiores e inferiores es suficiente elevado  para mantener la partícula en una posición dada.

Para que un objeto quede levitando mediante esta técnica debe tener una tamaño de entre un tercio y un medio de la longitud de onda del sonido incidente. Si el tamaño del objeto es superior a la mitad de la longitud de onda el objeto no puede levitar. Por lo tanto si aumentamos la frecuencia de la onda estacionaria, la longitud de onda disminuye y el objeto que se quiera suspender debe ser más pequeño.

Sin embargo ya se han hecho investigaciones sobre cómo levitar objetos de mayor tamaño. Aquí os dejamos un artículo sobre la levitación de un CD basada en la técnica de Squeeze film levitation.

Múltiples aplicaciones de la levitación acústica se están desarrollando

En el espacio

• Uno de los mayores problemas en el espacio es la ausencia de gravedad que hace que los objetos no queden fijados en un determinado espacio. Mediante la levitación acústica puede conseguirse la suspensión y fijación de los objetos para una correcta manipulación de los astronautas.

Electrónica

• Solidificación de objetos mediante suspensión. Medinante la suspensión de objetos aumenta la precisión en la manipulación para poder crear componentes electrónicos.

Farmacología

• Cristalización de líquidos en suspensión, sin un contenedor al que el líquido se adapte durante su cristalización, de esta forma se evita la contaminación debida al contacto con el contenedor.

Os dejamos un vídeo de demostración de levitación acústica en 3D a partir de la creación de ondas estacionarias.