@ 2017.10.05 , 15:00

科学家在半空中加速气流

科学家在半空中加速气流
©2017 American Institute of Physics

用电扇将空气吹过房间时,气流一般会减速并分散开来。而在一项新研究中,科学家们则演示了相反的情形:精心控制的超声波阵列制造的气流在离开发生源后,能维持自身狭窄的形状并加速。研究者解释道这就像是气流被空中隐形的风扇序列推着前进。他们认为这种加速气流的方法可实现前所未见的应用,比如在半空中实现和控制化学反应。

来自东京大学、日本理化研究所以及南山大学的Keisuke Hasegawa等物理学家已将该成果发表在近期的应用物理快报上。

研究者解释道,此前在水中和空气中已经演示过几次自加速声束。新研究的一个重要方面在于声束可以被控制,首次在空闲空间中演示了电子方式操纵宏观自加速声束。

研究者利用了一种名为贝塞尔声束的声束,这种声束具有不同寻常的性质,在传播过程中不会分散,而是维持狭窄紧密聚焦的形状。科学家们利用近1000个超声换能器产生了这种声束。每个换能器都将电子信号转换为超声波,通过调整这些放射出去声波的波阵面,就能控制气流的方向。超声波场也会产生动能,在向前传播过程中加速气流。在实验中,研究者证实速度最快的位置可以位于声源1英尺之外。

声束有趣的特征之一是无需倾斜超声波阵列就能控制声束方向。通过调整波阵面,就能在电子上操纵波束,形成倾斜的声束。研究者还表明气流足够强力,可以被手感受到,可以按照指定的方向引导水蒸气。

科学家们认为产生具有这种独特性质气流的能力将催生新的应用,比如进行空中化学反应,采样气体浓度以及动物行为学,例如研究动物如何响应空气中的信息素。

Hasegawa说道:“动物会对空气中的信息素等生理物质起反应,我们认为可以将这种物质传递给指定的动物,观察他们的反应。利用我们的方法,就不再需要限制动物的运动或者不再需要令动物穿戴特定的设备。这样就能观察到动物的自然反应。”

研究者计划接下来进一步探索控制气流的方法。

“我们目前正打算提出传递风媒物质的更好方法。例如,当前方法需要限制湍流,否则就会影响传递物质的空间定位。我们认为通过细化设计超声波场,有可能使得气流更类似于层流。”

本文译自 phys,由译者 CliffBao 基于创作共用协议(BY-NC)发布。 Lisa Zyga


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