除非你旅行到太空的真空中，否則聲音每天都圍繞著你。
但大多數時候，你可能不會把它看成是一種物理存在。你聽到聲音但你不觸摸它們。唯一的例外可能是喧鬧的夜總會、帶有震動車窗音響的汽車和能粉碎腎結石的超聲波機器。但即便如此，你很可能不會把你感受到的認為是聲音本身，而是聲音在其他物體中產生的震動。
聲音可以讓物體懸浮的現象
這種不可觸摸的事物能夠提升物體的想法可能看起來令人難以置信，但這是一種真實的現象。聲波懸浮利用聲音的特性使固體、液體和重氣體漂浮。這個過程可以在正常或減少重力的情況下進行。換句話說，聲音可以在地球上或太空中的充氣室內懸浮物體。
重力和聲波懸浮
要理解聲波懸浮是如何工作的，你首先需要了解一些關於重力、空氣和聲音的知識。首先，重力是一種使物體相互吸引的力。最簡單理解重力的方法是通過艾薩克·牛頓的萬有引力定律。該定律指出，宇宙中的每個粒子都吸引每個其他粒子。物體越大，它吸引其他物體的力量就越強。物體越接近，它們相互吸引的力量就越強。
空氣和聲波懸浮
其次，空氣是一種基本上與液體行為相同的流體。像液體一樣，空氣由微觀粒子組成，這些粒子相互運動。空氣也像水一樣移動——事實上，一些空氣動力學測試是在水下進行的，而不是在空氣中。氣體中的粒子，像空氣中的粒子，彼此相距較遠並且移動速度較快。
聲波和聲波懸浮
第三，聲音是一種通過介質（如氣體、液體或固體物體）傳播的振動。聲音的來源是一個快速移動或變形的物體。比如，如果你敲擊鈴鐺，鈴鐺就在空氣中震動。當鈴鐺的一側向外移動時，它推動旁邊的空氣分子，使該區域的氣壓增加。這個高壓區域稱為壓縮區。
當鈴鐺的一側回移時，它將分子拉開，創造出一個低壓區域，稱為稀疏區。鈴鐺然後重複這個過程，創造出一系列重複的壓縮和稀疏區域。每次重複就是聲波的一個波長。
聲波傳播是由於移動的分子推動和拉動周圍的分子。每個分子依次移動相鄰的分子。如果沒有這種分子的運動，聲音無法傳播，這就是為什麼在真空中沒有聲音的原因。你可以觀看動畫來了解更多聲音的基礎知識。
聲波懸浮利用通過流體（通常是氣體）傳播的聲音來平衡重力。在地球上，這可以使物體和材料在空氣中懸浮。在太空中，它可以使物體穩定以防止移動或漂移。這個過程依賴於聲波的特性，尤其是強聲波。
聲音懸浮的物理學
聲波懸浮利用聲壓來使物體浮起。
一個基本的聲波懸浮器有兩個主要部分——一個是震動表面發出聲音的換能器，另一個是反射器。通常，換能器和反射器有凹面以幫助聚焦聲音。聲波從換能器傳播並反射回反射器。這個傳播和反射波的三個基本特性有助於在空中懸浮物體。
聲波懸浮器可以創建駐波
駐波的定義節點（最低壓區）和腹點（最高壓區）。駐波的節點是聲波懸浮的核心。想像一條有巖石和急流的河流。河流的某些部分水流平穩，而其他部分水流湍急。漂浮的碎片和泡沫在河流平靜的部分積聚。為了使漂浮的物體在快速流動的河流部分保持靜止，它需要被固定或推動來抵抗水流。這基本上就是聲波懸浮器所做的，用聲波通過氣體代替了水。
通過將反射器正確地與換能器距離擺放，聲波懸浮器創造了一個駐波。當波的方向與重力作用平行時，駐波的某些部分具有恆定的向下壓力，其他部分具有恆定的向上壓力。節點的壓力非常小。
在太空中，由於幾乎沒有重力，漂浮的粒子會在駐波的節點聚集，這些節點平靜而穩定。在地球上，物體會在節點下方聚集，在這裡聲輻射壓力（聲波對表面施加的壓力）平衡了重力的拉力。
非線性聲波和聲波懸浮
一些醫學程序依賴於非線性聲學。例如，超聲波成像利用非線性效應使醫生能夠檢查子宮內的嬰兒或查看內部器官。高強度超聲波還可以粉碎腎結石、燒灼內傷和摧毀腫瘤。
普通的駐波可以相對強大。例如，通風管中的駐波可以導致灰塵按照波的節點模式聚集。通過房間反響的駐波可以使其路徑中的物體震動。低頻駐波還可以使人感到緊張或迷失方向——在一些情況下，研究人員在被報告為鬧鬼的建築物中發現了這些波。
但是，這些成就是與聲波懸浮相比的「芝麻小事」。影響灰塵沉降或擊碎玻璃所需的力量比從地面提升物體所需的力量要小得多。普通聲波受其線性性質的限制。增加波幅會使聲音變大，但不會影響波形的形狀或使其變得更具物理威力。
然而，極其強烈的聲音——如對人耳來說會引起身體疼痛的聲音——通常是非線性的。它們會在其傳播的物質中引起不成比例的大反應。這些非線性效應包括：
- 波形失真
- 衝擊波，如音爆
- 聲流，即聲波傳播的流體不斷流動
- 聲飽和，或物質無法再吸收更多聲波能量的點
非線性聲學是一個複雜的領域，導致這些效應的物理現象可能難以理解。但總的來說，非線性效應可以結合使強烈的聲音比安靜的聲音更強大。正是由於這些效應，聲波的輻射壓力可以變得足夠強大來平衡重力。強烈的聲音是聲波懸浮的核心——許多懸浮器中的換能器產生超過150分貝（dB）的聲音。普通對話約為60分貝，而喧鬧的夜總會則接近110分貝。
聲音真的能懸浮物體嗎？
用聲音懸浮物體並不是簡單地將高功率換能器對準反射器。科學家還必須使用正確頻率的聲波來創造所需的駐波。任何頻率在適當的音量下都可以產生非線性效應，但大多數系統使用超聲波，這些聲波太高音使人無法聽見。除了聲波的頻率和音量外，研究人員還必須注意許多其他因素：
- 換能器與反射器之間的距離必須是所產生聲波波長的二分之一的倍數。這會產生具有穩定節點和腹點的波。一些波可以產生幾個可用的節點，但最靠近換能器和反射器的節點通常不適合懸浮物體。這是因為波在反射表面附近創造了壓力區。
- 在微重力環境下，如外太空，節點內的穩定區域必須足夠大以支撐浮動物體。地球上，節點下的高壓區域也必須足夠大。因此，被懸浮的物體應該是聲波波長的三分之一到二分之一之間。大於聲波波長三分之二的物體太大，場地不足以支撐它們。聲音的頻率越高，能夠懸浮的物體直徑越小。
- 適合懸浮的物體還必須具有適當的質量。換句話說，科學家必須評估物體的密度，並確定聲波是否能產生足夠的壓力來抵消其重力。
- 被懸浮的液滴必須具有合適的邦德數，這是一個在重力和周圍流體的上下文中描述液體表面張力、密度和大小的比例。如果邦德數過低，液滴會破裂。
- 聲音的強度不能超越被懸浮液滴的表面張力。如果聲場過於強烈，液滴會被壓成甜甜圈狀然後破裂。
聲波懸浮器的實際用途
這聽起來可能需要很多工作才能將小物體懸浮幾釐米之高。懸浮小物體——甚至小動物——短距離可能聽起來相對無用。然而，聲波懸浮有幾種用途，無論是在地球上還是在外太空。以下是一些例子：
- 製造非常小的電子設備和微晶片通常涉及機器人或複雜的機械裝置。聲波懸浮器可以利用聲波完成相同的任務。例如，懸浮的熔融材料會逐漸冷卻和硬化，在正確調整的聲場中，所得的固體物體是一個完美的球體。同樣，正確形狀的聲場可以迫使塑料沉積並僅在微晶片的正確區域硬化。
- 某些材料是腐蝕性的，或者與化學分析過程中使用的普通容器反應。研究人員可以將這些材料懸浮在聲場中研究它們，而不需要風險容器的汙染或破壞。
- 泡沫物理學的研究有一個大障礙——重力。重力將液體向下拉離泡沫，使其乾燥和破壞。研究人員可以在太空中用聲場保持泡沫以研究它，避免重力幹擾。這可以更好地理解泡沫如何完成清理海水等任務。
研究人員繼續開發新型懸浮系統設置和聲波懸浮的新應用。
其他懸浮器設置
儘管具有一個換能器和一個反射器的懸浮器可以懸浮物體，但某些設置可以提高穩定性或允許移動。例如，一些懸浮器具有三對換能器和反射器，這些換能器和反射器沿X、Y和Z軸排列。其他設置則具有一個大發射器和一個小可動反射器；懸浮的物體在反射器移動時會移動。
常見問題解答
聲波懸浮是否可能？
是的，聲波懸浮是可能的。
聲波懸浮到底是如何工作的？
聲波懸浮是一種使用聲波創造能夠將物體懸浮在空中的力量的現象。