Non-intrusive MEMS microphone sensing of acoustic field state in resonant acoustic levitators

Stellen Sie sich vor, Sie besitzen eine magische, unsichtbare Hand aus Schall, die ein winziges Objekt in der Luft schweben lassen kann, ohne es zu berühren. Dies ist die akustische Levitation. Um diese unsichtbare Hand stark genug zu machen, um das Objekt zu halten, müssen Sie den Abstand zwischen einem Schallwandler (dem Transducer) und einem Reflektor (einem Spiegel) mit extremer Präzision abstimmen. Wenn Sie den Abstand auch nur ein winziges Stück falsch wählen, verschwindet die Hand und Ihr schwebendes Objekt fällt zu Boden.

Das Problem ist, dass sich der „perfekte“ Abstand ständig ändert. Er verschiebt sich, wenn der Raum heißer wird, wenn sich der Luftdruck ändert oder wenn Sie ein neues Objekt in die Schwebezone bringen. Traditionell mussten Wissenschaftler raten und testen oder sperrige, langsame Waagen unter dem Spiegel verwenden, um zu fühlen, wie stark der Schall drückt. Aber man kann keine Waage unter den Spiegel stellen, wenn man ein kleines, tragbares Levitationsgerät bauen möchte, und man kann sicherlich keine Waage in die Schwebezone stellen, ohne die Sicht zu blockieren oder in die Magie einzugreifen.

Die große Idee: Von der Seitenlinie aus zuhören
In dieser Studie stellten die Forscher eine einfache Frage: Können wir dem Schall zuhören, der von der Seite her austritt, um zu wissen, ob die unsichtbare Hand stark genug ist, ohne einen Sensor direkt in die Magiezone zu stecken?

Sie befestigten winzige, supersmall Mikrofonen (genannt MEMS-Mikrofone) direkt am Lautsprecher selbst. Diese Mikrofone sitzen direkt außerhalb des Schwebebereichs, wie ein Sicherheitswachmann, der im Flur steht und der Party im Inneren zuhört. Sie versperren nicht die Tür und stehen auch nicht im Weg.

Was sie herausfanden (Die guten Nachrichten)
Das Team testete diesen Aufbau, indem es den Lautsprecher langsam näher an den Spiegel heranführte und wieder davon entfernte, wobei es durch verschiedene „Resonanzmoden“ schwenkte (denken Sie an verschiedene Musiknoten, die das System singen kann). Sie verglichen, was die seitlichen Mikrofone hörten, mit zwei Dingen:

1. Einer superpräzisen Waage unter dem Spiegel (dem „Goldstandard“ dafür, wie stark die Kraft ist).
2. Dem elektrischen Strom, der in den Lautsprecher fließt (ein gängiger Weg, um zu erraten, was gerade passiert).

Hier ist der aufregende Teil: Die Mikrofone waren überraschend gut darin, den idealen Punkt zu finden.

Als die Forscher nach dem Punkt suchten, an dem die Schwebekraft am stärksten war, erreichten die Signale der Mikrofone fast zeitgleich mit dem Maximum ihren Höhepunkt.

• Der „Peak“ des Mikrofons wurde innerhalb von 30 µm (das sind 0,03 Millimeter, also weniger als die Breite eines menschlichen Haares) des tatsächlichen stärksten Kraftpunktes gefunden.
• An der exakten Stelle, an der die Mikrofone sagten: „Hier ist es!“, betrug die tatsächliche Kraft immer noch mindestens 98,3 % ihrer maximal möglichen Stärke.

Das bedeutet, dass die Mikrofone dem System sagen konnten: „Hör auf dich zu bewegen! Du bist genau hier!“, und zwar mit unglaublicher Genauigkeit. Tatsächlich waren die Mikrofone in diesem speziellen Aufbau sogar schärfer darin, den Peak zu finden, als es das bloße Beobachten des elektrischen Stroms in den Lautsprecherdrähten war.

Der „Richtungs“-Trick
Es ist gut zu wissen, wo der Peak liegt, aber was ist, wenn man ihn verpasst? Was, wenn man wissen muss, in welche Richtung man sich bewegen muss, um wieder zum Peak zurückzukehren?
Die Forscher versuchten, die Schallfrequenz zu ändern (ähnlich wie beim leichten Tunen eines Radios), um den „perfekten“ Ort zu verschieben. Sie fanden heraus, dass sich die Phase (der zeitliche Ablauf der Schallwelle) der Mikrofone auf eine vorhersehbare Weise änderte.

• Wenn sich die Schallwelle in die eine Richtung verschob, sagten die Mikrofone ihnen, den Lautsprecher in die eine Richtung zu bewegen.
• Wenn sie sich in die andere Richtung verschob, wussten sie, dass sie den Lautsprecher in die andere Richtung bewegen mussten.
  Dies war keine universelle Regel für alle Situationen, aber es diente als „Proof of Principle“ (Nachweis der Machbarkeit) für ein spezifisches Experiment und zeigte, dass die Mikrofone einen Hinweis geben konnten, in welche Richtung man das System korrigieren muss, um wieder auf Kurs zu kommen.

Der „Wackelobjekt“-Test
Sie ließen auch ein winziges Stück Schaumstoff in die Schwebezone fallen. Während das Objekt wackelte und tanzte, änderte sich das Schallfeld um es herum. Die Mikrofone erfassten diese schnellen, winzigen Änderungen in der Schallhüllkurve (der Form der Schallwelle), die die langsame Waage unter dem Spiegel nicht sehen konnte. Dies deutet darauf hin, dass die Mikrofone eines Tages helfen könnten zu erkennen, ob ein schwebendes Objekt instabil ist oder zu sehr schwankt.

Was sie explizit ausschlossen (Die „nicht so guten“ Nachrichten)
Es ist wichtig zu wissen, was diese Methode noch nicht ist:

• Es ist kein perfekter Neigungssensor. Die Forscher versuchten, einen Ring aus Mikrofonen um den Lautsprecher zu verwenden, um zu erkennen, ob der Lautsprecher und der Spiegel relativ zueinander gekippt (schräg gestellt) sind. Obwohl die Mikrofone je nach Neigung unterschiedlich reagierten, waren die Signale unordentlich. Sie konnten noch keinen präzisen, eindeutigen Neigungswinkel allein aus den Mikrofondaten berechnen. Das Paper argumentiert, dass man sich nicht allein auf diesen Ring-Aufbau verlassen kann, um genau zu bestimmen, wie schief das System ist.
• Es ist kein kalibriertes Druckmessgerät. Da der Schall innerhalb des Levitators unglaublich laut ist (über 145 dB), werden die Mikrofone technisch gesehen über ihre normalen Grenzen hinaus belastet. Sie messen nicht den exakten Druck in Pascal, sondern messen relative Änderungen. Man kann sie nicht benutzen, um zu sagen: „Der Druck beträgt exakt 150 dB“, aber man kann sie nutzen, um zu sagen: „Der Druck ist genau jetzt am höchsten Punkt“.
• Es funktioniert nicht für jedes elektrische Signal. Obwohl das Mikrofon in dieser Studie die „Peak-to-Peak-Strom“-Messung schlug, betonen die Autoren vorsichtig, dass sie nicht bewiesen haben, dass es jeder anderen elektrischen Methode (wie Impedanz oder Admittanz) überlegen ist.

Wie sicher sind sie sich?
Die Autoren sind sehr zuversichtlich hinsichtlich der Amplitude (Lautstärke) des Mikrofonsignals. Sie massen dies über vier verschiedene Resonanzmoden hinweg und fanden, dass die Übereinstimmung mit der Kraftwaage konsistent und präzise war (innerhalb von 30 µm).

Bezüglich der Phase (Zeitpunkt) und der Erkennung der Neigung sind sie vorsichtiger. Sie beschreiben das Phasenergebnis als einen „Proof of Principle“, was bedeutet, dass es als Konzept funktioniert, aber weiterer Tests bedarf, um ein Standardverfahren zu werden. Die Neigungserkennung wird als „explorativ“ beschrieben, was bedeutet, dass sie interessante Muster fanden, das System aber noch nicht bereit ist, ein kalibrierter Neigungssensor zu sein.

Das Fazamit
Dieses Paper zeigt, dass man winzige Mikrofone an die Außenseite eines Schallelevators kleben kann, um der unsichtbaren Hand „zuzuhören“. Sie können sagen, wann die Hand am stärksten ist, und einen Hinweis geben, in welche Richtung man sich bewegen muss, wenn man vom Kurs abkommt. Es ist eine clevere, nicht-invasive Art, die Magie des Schwebens aufrechtzuerhalten, ohne eine riesige Waage zu benötigen oder einen Sensor direkt mitten im Geschehen zu platzieren. Auch wenn es noch keine perfekte Lösung für jedes Problem ist (wie etwa die Messung exakter Neigungswinkel), öffnet es die Tür für kleinere, intelligentere und selbstkorrigierende Levitationsgeräte in der Zukunft.