什么是声悬浮?

在半空中轻轻盘旋的想法是令人兴奋的。你可以毫不费力地旅行很远的距离，参观人迹罕至的地方，或者只是坐下来放松一下!很长一段时间以来，人们一直在思考让自己或物体悬浮起来，但这些想法似乎离实现还有很长的路要走。悬浮在电影中也很流行，通常没有解释它是如何工作的。有些人声称拥有这种看似神奇的力量，但这些说法都经不起科学调查。然而,声悬浮这意味着利用声波将物体固定在空中，这是一个科学事实。本文介绍了声悬浮的工作原理，以及现在和未来可能实现的技术。

当物体振动并产生能量波时，声音就产生了。振动通过空气传到我们的耳朵。空气分子的振动越强，声音就越大。声波携带力，尽管这些力通常太小而感觉不到。这种效应的一个极端版本是爆炸。爆发力由激波携带，激波是一种振幅非常高的声波。这告诉我们，声波可以在空气中携带力，而且这些力可以非常大。你可以想象，这些力会作用于任何物质，包括生物。但我们如何才能安全可控地利用这种力量呢?

扩音器是我们都很熟悉的声源。如果我们能找到一个足够强大的扬声器，它能帮助我们实现悬浮吗?答案是部分是，部分不是!是的，因为一个强大的扬声器可以对放在它前面的物体施加一个力。不，因为一个扬声器只会提供推力，物体会不受控制地向前爆炸。为了稳定悬浮，诀窍是使用许多扬声器，并将所有扬声器发出的声音组合起来。

一组扬声器的组合声音的效果被称为扩音器数组（图1)．我们必须仔细控制每个扬声器发出的声音的时间。如果我们掌握了正确的时间，声波就会聚集在一起，形成声音悬浮所需的响亮和安静区域的模式。这种声音模式的关键成分是物体所在的安静区域和围绕物体的响亮区域，就像一个响亮的声音笼子。如果物体试图移动，它就会被声音推回到安静的区域。

为了使轻的物体悬浮，我们需要非常大的声音。声音的响度是以分贝．正常的讲话大约是60分贝，吵闹的摇滚乐是140分贝，火箭发射时是180分贝。当声音达到145分贝左右时，非常轻的物体就会悬浮起来，而145分贝刚好高于疼痛阈值。在这样的音量下，声音不仅很大，而且会很痛苦，对我们的耳朵有潜在的伤害!解决办法就是使用超声波，这是一种音调高到人类听不到的声音;虽然像猫和狗这样的动物能听到它。虽然我们听不见超声波，但超声波仍以振动空气分子的形式含有能量，可用于悬浮。图2)．

磁铁能用于悬浮吗?

当你使用磁铁时，你很快就会发现力可以作用在远处的某些金属物体上。磁铁会以一种难以抗拒的力吸引某些金属。每只手拿一块磁铁，然后把它们合在一起，你就能真正感受到这种力。科学家们发现，这些磁力可以用来悬浮物体，但它只对由磁性材料制成的物体起作用，比如铁。普通磁铁不能对生物施加力。然而，如果磁铁的强度极高，一种效应叫做抗磁性悬浮能发生并作用于生物。在反磁悬浮中，磁铁的强度如此之高，以至于生物体内的水分子伸展开来，成为微小的磁铁。微小的磁化水分子可以被原来的磁铁推动。图2展示了一个著名的实验，在这个实验中，一只20毫米长的青蛙用反磁悬浮悬浮在半空中[1］．但是需要大量的电力(足够500个家庭使用!)来驱动磁铁。

声学悬浮器很难制造吗?

你可能会惊讶地发现，你可以在家里建造自己的声学悬浮器。一组研究人员写了说明，并制作了一个视频，解释了所涉及的步骤[2- - - - - -4］．所需要的主要部件有扩音器、放大器和信号发生器。图3)．这些部件与收音机或其他音响系统相同。首先，信号发生器把波变成电信号。信号由放大器增强，然后送入扬声器。如果电信号增加，扬声器发出的声音也会增加。这就是当你把汽车收音机的音量调大时发生的事情。

悬浮器中使用的扬声器有点特殊，因为它们能发射超声波。它们最初是作为汽车的停车传感器制造的，但我们将它们重新用作超声波扬声器。如果我们把足够多的它们连接在一起，并给它们提供足够强的电信号，我们就能创造出足够大的声音来悬浮。这个实验使用的是超声波，所以它是人类无法听到的。这使得实验对人类来说似乎很安静。但是，在悬浮发生的区域，空气分子正在剧烈地摇晃。

在建造一个悬浮器时，获得安静和吵闹区域的正确模式是很重要的。在自制的悬浮器中，这是通过将扬声器放置在两个聚焦碗中来实现的，这两个聚焦碗将能量集中到一个点上。当两个碗相对时，就会形成一种安静和响亮声音的重复模式。这被称为a驻波当波相遇并混合在一起时，它就形成了干扰．你可以通过摇动跳绳或弹簧来创造一个驻波。在一定的振动速度下，你会看到高振动部件和静止部件的固定模式。这种模式正是悬浮所需要的，物体在任何安静的区域都被悬浮起来。

声悬浮的应用有哪些?

到目前为止，对声悬浮感兴趣的科学家和工程师们把大部分精力都放在了悬浮只有几毫米大小的物体上，比如昆虫或电子部件。把昆虫和其他生物放在适当的位置，我们可以在显微镜下仔细研究它们，而不用接触它们，如果它们极其脆弱，这是很重要的。我们还可以把用来制造手机的小部件悬浮起来，用悬浮装置把它们捡起来，从一个地方移动到另一个地方，就像机械臂一样。

声悬浮也可以用来操纵更小的东西，比如活细胞。这些设备就像微型抓手一样被使用。一个特别令人兴奋的应用是在组织工程领域，科学家们正试图找到再造皮肤或肌肉的方法。在这种情况下，声悬浮装置被用来将细胞排列成特定的模式。细胞最近被组装成线条，形成一块新的肌肉[5］．用这种新方法培养的肌肉被证明比用其他任何已知的实验室方法培养的肌肉更好。

声悬浮的未来

在未来几年内，声悬浮领域将会有令人兴奋的发现。现在声悬浮已经被用于制造简单的组织，比如肌肉，下一步是用它来组装更复杂的结构，比如人造心脏。这样的想法需要工程师与医学研究人员密切合作。

在让更大的物体悬浮方面有什么可能呢?人类有可能悬浮在空中吗?虽然难以置信，但理论上人类悬浮是可能的——我们只需要在人类大小的区域内发出足够大的声音。计算表明，有史以来最大的扬声器可以让我们让青蛙悬浮起来。考虑到意愿和资金，没有理由不能制造更大的扬声器!如果可能的话，你喜欢被悬浮起来吗?

各种各样的小昆虫甚至鱼都被声音悬浮了起来。人们还在显微镜下仔细观察了它们，发现它们毫发无损。为了使较大的物体悬浮，需要更大的声音，这意味着更多的能量。危险的是，能量必须去某个地方，它可能被物体或物体周围的空气吸收。所有这些能量都可能导致剧烈而快速的升温，这可能是有害的。除了这种加热的危险，这种巨大的声音对生物的影响是未知的。所以，虽然人类的声音悬浮是可能的在理论上但是，在我们能够安全地完成这项工作之前，还有很多工作要做。

术语表

声悬浮：↑利用高振幅声波克服重力，使物体悬浮在半空中。

数组：↑许多资源一起使用，创造一个组合的效果。这个术语适用于任何能源，但在这里我们用它来指一组扬声器，每个扬声器都在某一点上产生响亮的声音。

分贝：↑声音响度的国际测量单位。例如，正常的谈话是60分贝，警笛是120分贝，烟花或非常大声的音乐是140分贝。

超声波：↑音调高于20千赫的声音。这是健康成年人典型的听力上限。许多动物，如猫、蝙蝠、昆虫和海豚都能听到这些声音。

抗磁性悬浮：↑利用非常强的磁场来磁化材料，然后把它们固定在半空中。这种效应已被用于悬浮生物，如小青蛙。

驻波：↑一种具有高低振幅固定模式的波。这可以通过以正确的速度上下摇动弹簧来观察。你会看到一系列的点弹簧是静止的在这些点之间弹簧在疯狂地移动。

干扰：↑任何类型的两个或多个波混合的结果。在池塘里丢两块石头。圆形的波浪会扩散开来。当它们混合时，这叫做干涉。

利益冲突

作者声明，这项研究是在没有任何可能被解释为潜在利益冲突的商业或财务关系的情况下进行的。

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参考文献

[1]↑贝瑞，m.v.，海姆，a.k.， 1997。会飞的青蛙和levitrons。Euro J Phys。18:307-13。0143 - 0807/18/4/012 doi: 10.1088 /

[２]↑Marzo,。制作你自己的声学悬浮装置说明书．网上订购地址:https://www.instructables.com/Acoustic-Levitator/

[3]↑马佐，A.，巴恩斯，A.和德林克沃特，B. W. 2017。TinyLev:多发射器单轴声学悬浮器。科学仪器。88:085105。doi: 10.1063/1.4989995

[4]↑马佐，A, Caleap, M，和德林克沃特，B. W. 2018。具有可调谐轨道角动量的声学虚拟涡用于捕获mie粒子。manbetxapp在线登录Phys Rev Lett。120:044301。doi: 10.1103 / PhysRevLett.120.044301

［5］↑阿姆斯特朗，J. P. K.，普策尔，J. L.，塞里奥，A.， Guex, A. G.， Kapnisi, M.， Breant, A.等人(2018)。利用声细胞图谱工程各向异性肌肉组织。难以板牙。30:1802649。doi: 10.1002 / adma.201802649