In order to investigate the stability of a levitated object, which is crucial in near-field acoustic levitation, this study examined the levitation behavior of a levitated object whose size is similar to the wavelength of the sound wave radiated from the source of limited size. It can be thought that there are two motions of the object: the one in the direction in which sound wave is radiated from the source; and the other in the direction perpendicular to the direction of sound wave radiation. The former signifies the phenomenon that an object is levitated to a certain distance by the radiated sound pressure. The latter signifies the phenomenon that an object moves back and forth from the center of the source when it is levitated with the center of the object not coincident with the center of the source. This study intended to increase the stability of the levitated object by performing investigation on the levitation of an object and its behavior thereafter in order to secure safety when an object is levitated, which is the ultimate goal of ultrasonic levitation.
Existing ultrasonic levitation theory was derived using a one-dimensional model under the assumption that the source was piston-like, viscosity of the fluid was neglected, the levitated object was rigid body and it was infinitely large. Therefore, this theory was slightly different from the actually measured levitation result. In order to predict the levitation distance accurately, the change in sound pressure distribution on the surface of the levitated object due to diffraction and scattering must be considered. In the case of such acoustic levitation, since the distance between the object and source is very short compared to the wavelength of the source when the object is levitated, it is difficult to analyze the diffraction and scattering on the surface of the levitated object using the boundary element method. Concerning the change in the levitation distance due to diffraction and scattering, the levitation distance according to the size of the levitated object was predicted by analyzing the disc whose thickness was neglected using the spheroidal coordinate system. However, with regard to the prediction of the levitation distance, even the existing studies that perform prediction considering the influence of diffraction and scattering on the levitation distance were not able to solve the problem in which the predicted levitation distance differs from the actual levitation distance by up to 35%. This is because the influence of the thickness of the levitated object on the levitation distance was not considered since the diffraction and scattering had been derived for the disc having no thickness. This study investigated the effect of the diffraction and scattering according to the thickness of the source by examining the levitation distance according to the change in the thickness and weight per unit area of the levitated object for various sources.
In the case of the near field acoustic levitation using source of piston type, the motion of a levitated object occurs due to instability caused by external force and is horizontally unbalanced. However, in addition to this, when the center of the source is not coincident with the center of the levitated object, the object is levitated and moves toward the center of the source. In the past it was reported that such motion was caused by the acoustic flow existing between the levitated object and source. However, since prediction was made only for the case that the source and object were identical, it is not thought to be applicable to all cases.
In order to investigate the behavior of this levitated object in the direction perpendicular to the direction of the vibration of the source, this study examined the sound distribution around the levitated object. By predicting the distribution of the acoustic energy around the levitated object, the energy flow around the levitated object could be examined and the direction in which the levitated object moved could be predicted. By this force that makes the levitated object move to the center of the source, the levitated object is levitated and moves back and forth from the center of the source. Therefore, the motion of the levitated object was predicted by calculating the sound pressure imposed on the surface of the levitated object when the object was levitated at a certain point on the source. Assuming the motion of the levitated object to be non-linear motion that is forcedly vibrated by the sound pressure imposed on the surface, this study predicted the frequency of reciprocating motion through this governing equation and compared it with the actually measured value. In addition, by predicting the motion of the levitated object, this study proposed a safe area where the object could be levitated above the source without moving out of the source.
근거리 음향 부상에서의 중요 문제인 부상 물체의 안정성을 검토하기 위하여, 유한한 크기의 음원에서 방사되는 음향 파장과 비슷한 크기의 부상 물체에 대한 부상 거동에 대하여 알아보았다. 부상 물체의 거동은 크게 음원의 음향 방사 방향으로의 운동과 그 수직한 방향으로의 운동으로 나누어 생각할 수 있다. 음원의 음향 방사 방향으로의 운동은 부상 물체가 방사 음압에 의하여 일정 거리를 부상하는 현상을 의미하며, 후자는 부상 물체의 중심과 음원의 중심이 일치하지 않은 상태에서 부상하였을 경우 부상 물체가 음원 중앙을 중심으로 왕복 운동을 하는 현상이다. 초음파 부상의 궁극적인 목적인 부상 물체가 부상하였을 경우, 안전을 확보하기 위하여 부상 물체의 부상과 그 후의 거동을 연구 함으로써 부상 물체의 안정성을 높이고자 하였다.
기존 초음파 부상 이론은 1차원적인 모델을 이용하여 유도되었으며, 여기에는 피스톤 음원의 사용, 유체 점성의 무시, 부상 물체는 강체이며 그 크기는 무한히 크다는 가정이 포함되어 있어 실제 측정된 부상 현상과는 다소 차이를 보이고 있다. 부상 거리의 정확한 예측하기 위해서는, 회절과 산란에 의한 부상 물체 표면의 음압 분포 변화가 고려 되어야 한다. 이러한 음향 부상 현상은 부상 물체가 부상하였을 때 물체와 음원 사이의 거리가 파장에 비하여 너무 작기 때문에, 경계요소법을 사용하여 부상 물체 표면의 회절과 산란을 해석하기는 어렵다. 관하여는 고영갑 [32]이 spheroidal 좌표계를 이용한 두께가 무시된 원판의 해석을 통하여 회절과 산란에 의한 영향을 알아보았으며, 이를 이용하여 부상 물체의 크기에 따른 부상 거리를 예측하였다. 그러나 부상 거리를 예측하는데 있어서, 회절과 산란이 부상 거리에 미치는 영향을 고려하여 예측한 기존 연구에서도 실제 부상 거리와 최대 35%의 차이가 나는 것은 해결하지 못하였다. 이는 두께가 없는 원판에 대한 회절과 산란을 유도하였기 때문에 부상 물체의 두께에 따른 영향이 고려되지 않았기 때문이다. 본 연구에서는 여러 음원에 대하여 부상 물체의 단위 면적 당 무게와 두께의 변화에 따른 부상 거리를 파악함으로써 음원의 두께에 따른 회절과 산란의 영향을 파악하였다.
피스톤 음원을 이용한 근접장 음향 부상에서 부상 물체에 대한 움직임은 외력과 불균형한 수평에 의한 불안정에 의하여 발생하지만, 그 외에도 음원의 중심과 부상 물체의 중심이 일치하지 않는 경우에, 부상 물체가 부상하여 음원의 중심으로 향하는 움직임을 보이게 되는데, 기존에는 이러한 움직임의 원인은 부상 물체와 음원 사이에 존재하는 음향 흐름에 의한 것으로 보고되고 있으나, 음원과 부상 물체의 크기가 같은 경우에 한하여 예측하였기 때문에 모든 경우에 적용 가능하다고 보기는 어렵다.
본 연구에서는 이러한 부상 물체의 음원의 진동 방향과 수직한 방향으로의 거동을 알아보기 위하여 부상 물체가 부상 하였을 때의 주위 음향 분포를 살펴보았다. 부상 물체 주변의 음향 에너지의 분포를 예측함으로써 부상 물체 주변의 에너지 흐름을 파악할 수 있었으며 부상 물체가 움직이는 방향을 예측 할 수 있었다.
부상 물체를 음원의 중앙으로 움직이게 하는 이 힘에 의하여 부상 물체는 부상하여 음원의 중앙을 중심으로 왕복 운동을 하게 되는데, 부상 물체가 음원 임의의 지점에 부상하였을 때에 부상 물체 표면에 가해지는 음압을 계산하여 부상 물체의 움직임을 예측하였다. 부상 물체의 움직임을 표면에 가해지는 음압에 의하여 강제 가진 되는 비선형 운동으로 가정하고, Poincare Lindstedt 방법을 이용하여 음원 중앙을 중심으로 왕복 운동을 하는 부상 물체의 지배 방정식을 제시하였다. 이 지배 방정식을 통하여 왕복 운동 주파수를 예측하였으며, 실제 측정 값과 비교 검토하였다. 또한, 부상 물체의 움직임을 예측함으로써, 음원 위에 물체가 부상하여 음원의 밖으로 벗어나지 않고 부상할 수 있는 안정 영역을 제안할 수 있게 되었다.
