科學家在半空中加速氣流

?2017 American Institute of Physics

用電扇將空氣吹過房間時，氣流一般會減速並分散開來。而在一項新研究中，科學家們則演示了相反的情形：精心控制的超聲波陣列製造的氣流在離開發生源後，能維持自身狹窄的形狀並加速。研究者解釋道這就像是氣流被空中隱形的風扇序列推著前進。他們認為這種加速氣流的方法可實現前所未見的應用，比如在半空中實現和控制化學反應。

來自東京大學、日本理化研究所以及南山大學的Keisuke Hasegawa等物理學家已將該成果發表在近期的應用物理快報上。

研究者解釋道，此前在水中和空氣中已經演示過幾次自加速聲束。新研究的一個重要方面在於聲束可以被控制，首次在空閑空間中演示了電子方式操縱宏觀自加速聲束。

研究者利用了一種名為貝塞爾聲束的聲束，這種聲束具有不同尋常的性質，在傳播過程中不會分散，而是維持狹窄緊密聚焦的形狀。科學家們利用近1000個超聲換能器產生了這種聲束。每個換能器都將電子信號轉換為超聲波，通過調整這些放射出去聲波的波陣面，就能控制氣流的方向。超聲波場也會產生動能，在向前傳播過程中加速氣流。在實驗中，研究者證實速度最快的位置可以位於聲源1英尺之外。

聲束有趣的特徵之一是無需傾斜超聲波陣列就能控制聲束方向。通過調整波陣面，就能在電子上操縱波束，形成傾斜的聲束。研究者還表明氣流足夠強力，可以被手感受到，可以按照指定的方向引導水蒸氣。

科學家們認為產生具有這種獨特性質氣流的能力將催生新的應用，比如進行空中化學反應，採樣氣體濃度以及動物行為學，例如研究動物如何響應空氣中的信息素。

Hasegawa說道：「動物會對空氣中的信息素等生理物質起反應，我們認為可以將這種物質傳遞給指定的動物，觀察他們的反應。利用我們的方法，就不再需要限制動物的運動或者不再需要令動物穿戴特定的設備。這樣就能觀察到動物的自然反應。」

研究者計劃接下來進一步探索控制氣流的方法。

「我們目前正打算提出傳遞風媒物質的更好方法。例如，當前方法需要限制湍流，否則就會影響傳遞物質的空間定位。我們認為通過細化設計超聲波場，有可能使得氣流更類似於層流。」

本文譯自 phys，由譯者 CliffBao 基於創作共用協議(BY-NC)發布。 Lisa Zyga

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