EP4639528A1 - Dispositif de lévitation acoustique - Google Patents

Dispositif de lévitation acoustique

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Publication number
EP4639528A1
EP4639528A1 EP23837991.1A EP23837991A EP4639528A1 EP 4639528 A1 EP4639528 A1 EP 4639528A1 EP 23837991 A EP23837991 A EP 23837991A EP 4639528 A1 EP4639528 A1 EP 4639528A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
transmitters
pair
phase
acoustic
emitters
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23837991.1A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Thibault QUATRAVAUX
Jonathan Martens
Julien JOURDAN
Hervé STROZYK
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Direction Generale De L'armement
Direction Générale de l'Armement
Centre National de la Recherche Scientifique
University of Lorraine
Original Assignee
Direction Generale De L'armement
Direction Générale de l'Armement
Centre National de la Recherche Scientifique
University of Lorraine
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Direction Generale De L'armement, Direction Générale de l'Armement, Centre National de la Recherche Scientifique, University of Lorraine filed Critical Direction Generale De L'armement
Publication of EP4639528A1 publication Critical patent/EP4639528A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K15/00—Acoustics not otherwise provided for
    • G10K15/02—Synthesis of acoustic waves
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J19/10—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing sonic or ultrasonic vibrations
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/20—Metals
    • G01N33/205—Metals in liquid state, e.g. molten metals

Definitions

  • the present invention relates to the field of levitation devices.
  • the present invention relates, in particular, to a levitation device for the characterization of materials at high temperatures, typically temperatures above 800°C.
  • a levitation device for the characterization of materials at high temperatures, typically temperatures above 800°C.
  • the study of metals in the liquid state is a key stage of metallurgy.
  • this step corresponds to the adjustment of the chemical composition of the alloy as well as the operations necessary to eliminate inclusionary defects, immiscible elements in the alloy which degrade its usage properties.
  • thermo-physical properties at very high temperatures, as well as understanding the mechanisms of genesis of inclusionary defects. Furthermore, knowledge of thermophysical properties in the liquid state is particularly critical in additive metallurgy, whether to develop powders or at the heart of the 3D printing process.
  • thermo-physical properties for example viscosity or surface tension, or even the reactive phenomena at the origin of the inclusions.
  • levitation-fusion by induction it is generated by a vertical coil.
  • the strong coupling between levitation and heating imposes a reduced heating temperature range.
  • the induced forces generate internal flows detrimental to studies of molten metals. This technique is only applicable to metals.
  • this technique requires adapting the coil to each type of material studied.
  • An aim of the invention is, furthermore, to propose an acoustic levitation device:
  • an acoustic levitation device comprising a set of ultrasonic emitters, called transmitters, arranged to each emit an acoustic wave focused in a center of the acoustic device, the set of emitters is arranged to obtain stationary acoustic waves whose intensity is maximum at the center of the levitation device.
  • the levitation device includes two domes facing each other. Each dome includes:
  • the stabilizers are arranged to form or comprise, preferably the emitters of each stabilizer are arranged to form, at least two pairs of emitters each comprising two subgroups of emitters located on either side of the median plane, a subgroup of transmitters of a couple belonging to the stabilizer of a dome is opposite the other subgroup of transmitters of the couple belonging to the stabilizer of the other dome, each subgroup of transmitters includes at least one transmitter.
  • the emitters of the cap of each of the domes are arranged to emit an acoustic wave having a first frequency fi and the emitters of the stabilizer of each of the domes are arranged to emit an acoustic wave having a frequency f2 different from fi.
  • the acoustic levitation device further comprises a control unit arranged so that the emitters of the cap of each of the domes are arranged to emit an acoustic wave having a first frequency fi and the emitters of the stabilizer of each of the domes domes are arranged to emit an acoustic wave having a frequency f2 different from fi.
  • the two subgroups of transmitters of one of the pairs of transmitters are arranged to emit acoustic waves of which a phase differs from a phase of the acoustic waves emitted by the two subgroups of transmitters of at least minus one other of the couples.
  • the control unit is further arranged so that a phase of the acoustic waves emitted by the two subgroups of transmitters of one of the pairs of transmitters differs from a phase of the acoustic waves emitted by the two subgroups of transmitters of at least one other of the pairs.
  • the ultrasonic transmitters are piezoelectric transmitters.
  • the center of the acoustic device is a geometric center of the levitation device.
  • the center of the levitation device is intersected by the axis of maximum intensity of the acoustic wave emitted by each of the transmitters.
  • the domes can be ovoid in shape, preferably spherical in shape.
  • the concave part of one dome is located opposite the concave part of the other dome.
  • the first and the second group of emitters of a dome constitute all of the emitters of the dome.
  • each emitter of the first group of emitters of a dome is radially opposed to another emitter of the first group of emitters of the other dome.
  • each emitter of the second group of emitters of a dome is radially opposed to another emitter of the second group of emitters of the other dome.
  • the pole of a dome is, or constitutes, also a pole of the levitation device.
  • the cap of a dome considered extends between the pole and the stabilizer of the dome considered in a direction extending from the pole of the dome considered towards the median plane.
  • the axis connecting the pole of each of the domes is an axis of symmetry of the levitation device.
  • the axis connecting the pole of each of the domes can be defined as the axis connecting the two poles of the levitation device.
  • an object or sample to be analyzed is intended to levitate in the center of the levitation device.
  • each dome comprises at least two subgroups of transmitters.
  • the phase of the wave emitted by one of the pairs of transmitters differs from the phases of the standing waves emitted by each of the other pairs of transmitters.
  • a pair of transmitters emits a standing wave having a phase different from a phase of a standing wave emitted by another of the pairs of transmitters.
  • each pair of transmitters emits a standing wave having a different phase.
  • the emitters of the stabilizer, and preferably the emitters of the cap, of each dome are distributed or extend over 360°.
  • the stabilizer emitters, and preferably the cap emitters, of each dome are distributed or extend over the entire part of the dome formed by stabilizer.
  • the emitters of the stabilizer of each dome form a slice or a portion of a sphere whose axis of revolution coincides with the axis of revolution of the levitation device.
  • the first group of transmitters comprises at least two rows of transmitters.
  • the second group of transmitters comprises at least one row of transmitters.
  • a row is defined as a curved line or a ring.
  • one row is parallel to another row.
  • the rows are parallel to each other and/or parallel to the median plane.
  • the levitation device comprises, more preferably the stabilizers comprise or are arranged to form, at least one pair of pairs of transmitters.
  • Each pair of pairs of transmitters is arranged so that each subgroup of a pair of a pair of pairs considered is radially opposed to a subgroup of the other pair of the pair of pairs considered.
  • the levitation device can include at least three couples.
  • the levitation device comprises at least three couples and the control unit can be arranged so that a phase of the acoustic waves emitted by one of the couples is identical to a phase emitted by another of the couples.
  • the levitation device may include at least two pairs of couples.
  • the levitation device comprises at least two pairs of couples and the control unit can be arranged so that a phase of the acoustic waves emitted by two couples, preferably by the two couples of a pair of couples, is identical.
  • control unit is arranged so that a phase of the acoustic waves emitted by the two couples of a pair of couples, preferably by each pair of couples, is different.
  • control unit is arranged so that the acoustic waves emitted by the two couples of a pair of couples, preferably of each pair of couples, are in phase opposition.
  • a sphere portion comprising the median plane and extending between the stabilizer of each of the domes is devoid of emitter, the sphere portion forms an annular opening offering access to the center of the levitation device.
  • the sphere portion forms a row or, more preferably, a ring.
  • access to the center of the device means access to the object intended to levitate.
  • the annular opening extends over 360°, that is to say over the entire circumference of the levitation device.
  • access to the center of the levitation device, from outside the levitation device is permitted from the entire periphery of the levitation device.
  • access to the center of the levitation device, from outside the levitation device is provided at or around the median plane.
  • the first group of transmitters of each dome is arranged so that the stationary acoustic waves generated levitate an object intended to levitate at the center of the levitation device.
  • the second group of emitters of each dome is arranged so that the stationary acoustic waves generated laterally stabilize the object intended to levitate.
  • laterally means a direction extending along an axis perpendicular to the axis of revolution.
  • control unit is arranged so that the phase of the acoustic wave emitted by a given pair of transmitters is greater or lower than the phase of the acoustic wave emitted by an adjacent pair of transmitters and/or consecutive, by rotation around or relative to the axis of revolution, to the given pair of transmitters.
  • control unit arranged so that the phase of the acoustic wave emitted by a given pair of transmitters, or respectively a given pair of pairs of transmitters, is greater or less than the phase of the acoustic wave emitted by a pair of transmitters, or respectively a pair of couples of emitters, adjacent and/or consecutive, by rotation around or relative to the axis of revolution, to the given pair of emitters, or respectively to the pair of given pairs of emitters.
  • pair of transmitters or respectively by pair of pairs of transmitters, adjacent and/or consecutive
  • a pair of transmitters or respectively a pair of pairs of transmitters, which is adjacent and/or consecutive, by rotation around the axis of revolution in the clockwise or counterclockwise direction, to a given pair of transmitters, or respectively to a pair of pairs of transmitters given.
  • the phase of the acoustic wave emitted by the at least two pairs of transmitters increases or decreases by the same successive increment or by the same successive increment value of a pair of transmitters given to a pair of adjacent transmitters.
  • the frequency fi is higher or lower than the frequency f2 by at least 5 kHz, more preferably by at least 10 kHz, more preferably by at least 15 kHz.
  • an acoustic levitation process comprising the steps consisting of:
  • the waves acoustics of frequency fi are emitted by a first group of ultrasonic transmitters forming a cap extending between a pole and a stabilizer of each of two domes, arranged opposite each other, an acoustic levitation device, the acoustic levitation device comprises a set of ultrasonic emitters, called emitters, arranged to emit an acoustic wave focused in a center of the acoustic device, the set of emitters is arranged to obtain stationary acoustic waves whose intensity is maximum at the center of the levitation device,
  • the stabilizers form at least two pairs of transmitters located on either side of the median plane, a subgroup of transmitters of a pair belonging to the stabilizer of a dome is opposite the other subgroup of torque transmitters belonging to the stabilizer of the other dome.
  • each transmitter subgroup comprises at least one transmitter.
  • the method comprises the step consisting of, more preferably for each pair of pairs of transmitters, transmitting by a pair of transmitters of a pair of pairs of transmitters, acoustic waves whose phase is greater than or lower than the phase of the acoustic waves emitted by the other pair of the pair of pairs of transmitters.
  • the method comprises the step of emitting, by a given pair of transmitters, or respectively by a pair of given pairs of transmitters, acoustic waves whose phase is greater or less than the phase of the acoustic waves emitted by a pair of transmitters, or respectively by a pair of pairs of transmitters, adjacent to and/or consecutive to the given pair of transmitters, or respectively to the given pair of couples.
  • the phase of the acoustic wave emitted by the at least two pairs of transmitters increases or decreases by the same successive increment or by the same successive increment value of a pair of transmitters given to a pair of adjacent transmitters.
  • the method comprises the step consisting of, more preferably for each pair of transmitters, or respectively for each pair of pairs of transmitters, transmitting, by a pair of transmitters, or respectively by a pair of couples d transmitters, acoustic waves whose phase increases or decreases, preferably by successive increment, of a given pair of transmitters, or respectively of a pair of pairs of given transmitters, to pair of transmitters, or respectively to a pair of pairs of transmitters, adjacent.
  • the phase of the acoustic wave emitted by a pair of transmitters, or respectively by the at least one pair of pairs of transmitters increases or decreases by the same successive increment or by the same successive increment value from a given pair of transmitters, or respectively from a given pair of pairs of transmitters, to an adjacent pair of transmitters, or respectively to a pair of pairs of transmitters.
  • the method comprises the step of varying over time, by an identical or proportional gradient, the phase of the acoustic wave emitted by each of the pairs of transmitters so as to prevent rotation or to cause the controlled rotation or to prevent translation, along an axis perpendicular to the axis of revolution, or to cause controlled translation, along an axis perpendicular to the axis of revolution, of an object intended to levitate.
  • the method comprises the step of varying over time, by an identical or proportional gradient, the phase of the acoustic wave emitted by each pair of transmitters or by each pair of pairs of transmitters of so as to prevent rotation or to cause controlled rotation or to prevent translation, along an axis perpendicular to the axis of revolution, or to cause a controlled translation, along an axis perpendicular to the axis of revolution, of an object intended to levitate.
  • the method comprises the step of applying an active rotation of the phase of the acoustic wave emitted by each of the pairs of transmitters and/or by each of the pairs of pairs of transmitters, in clockwise or counterclockwise direction. , so as to prevent the rotation or to cause the controlled rotation of an object intended to levitate.
  • the active rotation of the phase of the acoustic wave emitted by each of the pairs of transmitters and/or, respectively, by each of the pairs of pairs of transmitters can be defined as a coordinated and/or synchronous and/or proportional variation of the phase of the acoustic wave emitted by the pairs of transmitters relative to each other and/or, respectively, by the pairs of pairs of transmitters relative to each other.
  • the method comprises the step of introducing an offset between a value of the phase of the acoustic wave emitted by one of the pairs of transmitters of a pair of pairs relative to a value of the phase of the acoustic wave emitted by the other couple of the pair of couples.
  • the levitation device according to the invention is suitable, more preferably is particularly suitable, more preferably is designed and in a particularly advantageous manner is specially designed, to implement the levitation method according to the invention.
  • any characteristic of the levitation device according to the invention can be directly transposed to the levitation method according to the invention and vice versa.
  • FIGURE 1 is a schematic representation of a section in side view of an embodiment of the acoustic levitation device according to the invention
  • FIGURE 2a is a schematic representation in side view of the caps of the acoustic levitation device according to the embodiment
  • FIGURE 2b is a schematic representation in side view of the torques of the stabilizers of the acoustic levitation device according to the embodiment
  • FIGURE 2c is a schematic representation in side view illustrating the caps and the torques of the stabilizers of the acoustic levitation device according to the embodiment
  • FIGURE 2d is a schematic representation in top view illustrating a cap and the subgroups of a stabilizer of a dome of the acoustic levitation device according to the embodiment,
  • FIGURE 3a is a side sectional view of an embodiment of the acoustic waves generated by the caps of the acoustic levitation device according to the embodiment,
  • FIGURE 3b is a side sectional view of an embodiment of the acoustic waves generated by the stabilizers of the acoustic levitation device according to the embodiment,
  • FIGURE 3c is a side sectional view of the embodiment of the acoustic waves generated by the acoustic levitation device according to the embodiment,
  • FIG. 4 in FIGURE 4 are presented three cross-sectional images in top view, in the median plane, of the acoustic waves emitted, according to three distinct embodiments, by the stabilizers of the acoustic levitation device according to the embodiment,
  • FIG. 5 in FIGURE 5 is presented, on the left, an image of a steel ball being melted and levitating in the acoustic levitation device with contribution from the stabilizers and, on the right, an image of the steel ball steel being melted and levitated in the acoustic levitation device without contribution from the stabilizers.
  • variants of the invention comprising only a selection of characteristics described, isolated from the other characteristics described (even if this selection is isolated within a sentence including these other characteristics), if this selection of characteristics is sufficient to confer a technical advantage or to differentiate the invention compared to the state of the prior art.
  • This selection includes at least one characteristic, preferably functional without structural details, or with only part of the structural details if this part only is sufficient to confer a technical advantage or to differentiate the invention compared to the state of the prior art. .
  • the levitation device 1 comprises a set of ultrasonic transmitters 2, called transmitters 2.
  • the transmitters 2 are arranged to each emit an acoustic wave focused at a center 3 of the acoustic device 1.
  • the ultrasonic transmitters 2 used are manufactured by Manorshi® under the references MSO-P1640H12T and MSO-P1625H12T.
  • the set of transmitters 2 is arranged to obtain stationary acoustic waves whose intensity is maximum at the center 3 of the levitation device 1.
  • the embodiment presented is a non-limiting example of a possible arrangement of the transmitters 2.
  • the acoustic levitation device 1 comprises fifty-eight emitters 2. Each emitter 2 of a dome 41, 42 is radially opposed to an emitter 2 different from the other dome 41, 42.
  • the levitation device 1 comprises two domes 41, 42 facing each other.
  • An axis of revolution 5 connects the poles 61, 62 of each of the domes 41, 42.
  • a median plane 7 perpendicular to the axis of revolution 5 is located equidistant between the poles 61, 62.
  • the domes 41, 42 are spherical.
  • Each dome 41, 42 comprises a first group 411, 421 of emitters 2 forming a cap 81, 82 extending between a pole 61, 62 and a stabilizer 91, 92.
  • the first group 411, 421 of each cap 81, 82 of each dome 41, 42 includes 54 transmitters.
  • Each transmitter 2 of a cap 81, 82 of a dome 41, 42 is radially opposite to an emitter 2 different from the other cap 81, 82 of the other dome 41, 42.
  • Each dome 41, 42 comprises a second group 412, 422 of emitters 2 forming the stabilizer 91, 92.
  • the second group 412, 422 of emitters 2 extends between the cap 81, 82 of each dome 41, 42 and in direction of the median plane 7.
  • the second group 412, 422 of emitters of each cap 81, 82 of each dome 41, 42 comprises 54 emitters.
  • Each emitter 2 of a stabilizer 2 of a dome 41, 42 is radially opposite to an emitter 2 different from the other stabilizer 91, 92 of the other dome 41, 42.
  • the emitters 2 of the first group 411, 421 line or form a paving of or are distributed over, more preferably in a regular or homogeneous manner, the whole of each cap 81, 82.
  • the emitters 2 of the second group 412, 422 line or form a paving of or are distributed over, more preferably in a regular or homogeneous manner, all of each stabilizer 91, 92.
  • the first group 411, 421 of emitters 2 of each dome 41, 42 comprises six rings of emitters 2, one center of which coincides with the axis of revolution 5.
  • the second group 412, 422 of transmitters 2 comprises two rings of transmitters 2, one center of which coincides with the axis of revolution 5.
  • the center 3 of the acoustic levitation device 1 is located at a distance of approximately eight centimeters (cm) from the transmitters 2.
  • the acoustic levitation device 1 according to the embodiment is arranged for samples whose size is between one and three millimeters (mm). Any type of sample, and in particular high density samples, for example Platinum with a density of 21.5, could be levitated in a controlled manner with the acoustic levitation device 1 according to the invention.
  • the levitation device 1 comprises a volume or a space zone 10, extending between the two domes 41, 42, devoid of emitters 2.
  • the space zone 10 constitutes a portion of a sphere 10 or a ring 10.
  • the sphere portion 10 comprises the median plane 7.
  • the sphere portion 10 extends between the two stabilizers 91, 92.
  • the sphere portion 10 is devoid of any solid element or solid part.
  • the sphere portion 10 constitutes or forms an annular opening 10 offering 360° access to the center 3 of the levitation device 1. in this way, access to the center 3 of the levitation device 1 is possible over the entire perimeter of the levitation device 1.
  • the acoustic device 1 is intended to be powered by one or more power supplies without the latter necessarily forming an integral part of the invention.
  • the caps 81, 82 are intended to be powered by a power supply separate from the power supply intended to power the stabilizers 91, 92.
  • the acoustic levitation device 1 may include a control unit and/or or a processing unit without the latter necessarily being an integral part of the invention.
  • the control unit can be arranged, among other things, to control and/or modulate the output parameters, for example a voltage and/or a frequency and/or a phase and/or a power of a signal intended to power a or transmitters 2, the power supply(s).
  • the control unit may be or may include a microcontroller.
  • Object levitation under the effect of acoustic waves reveals instabilities and disturbances inherent to the process of levitation by acoustic waves, in particular due to the geometric irregularities of the sample. Furthermore, under certain experimental conditions for studying the sample, in particular when it is heated or a fortiori melted, additional instabilities, such as for example hot gas flows and geometric deformation of the sample , appear. To compensate for these instabilities and disturbances, the emitters 2 of the cap 81, 82 of each of the domes 41, 42 emit an acoustic wave having a first frequency fi and the emitters 2 of the stabilizer 91, 92 of each of the domes 41, 42 emit a acoustic wave presenting a frequency f2 different from fi.
  • the acoustic waves emitted by the caps 81, 82 have the same frequency fl which is 40 kHz and the acoustic waves emitted by the stabilizers 91, 92 have the same frequency f2 which is 25 kHz.
  • This characteristic makes it possible to avoid the coupling between the acoustic waves emitted by the caps 81, 82 and the acoustic waves emitted by the stabilizers 91, 92.
  • this characteristic makes it possible to decorrelate the effect of the caps 81, 82 from the effect stabilizers 91, 92.
  • This absence of coupling allows the arrangement of the caps 81, 82 to have the effect of levitating the object by countering gravity.
  • the levitation of a liquid object under the effect of acoustic waves also causes a vertical crushing or flattening of the sample under the effect of its own weight and under the effect of acoustic waves, countering the effect gravity, ensuring levitation of the sample.
  • This effect is inherent to state-of-the-art acoustic levitation devices.
  • the characteristic of the levitation device 1 according to which the emitters 2 of the cap 81, 82 of each of the domes 41, 42 emit an acoustic wave which has a frequency fi different from a frequency f2 of a wave emitted by the emitters 2 of the stabilizer 91, 92 also makes it possible to compensate for this effect of crushing the poles of the levitating sample.
  • the transmitters 2 of the second group 412, 422 of transmitters of each dome 41, 42 are arranged so that the stabilizers 91, 92 form at least two pairs of transmitters 2.
  • the use of two pairs of The transmitters will allow it to act on two lateral directions, preferably perpendicular.
  • the use of three pairs of transmitters will make it possible to act on three lateral directions, preferably forming an angle of 120° between them.
  • the stabilizers 91, 92 form six pairs 93, 94, 95, 96, 97, 98 of transmitters 2 according to the non-limiting embodiment.
  • Two pairs of transmitters 2 are enough to obtain the minimum expected effect of controlled lateral stabilization.
  • Six pairs 93, 94, 95, 96, 97, 98 of emitters 2 allow better lateral control of the sample and offer a good compromise between control of lateral stabilization and complexity of the electronics required for control of emitters 2 pairs 93, 94, 95, 96, 97, 98.
  • Each pair 93, 94, 95, 96, 97, 98 of transmitters 2 is formed by two subgroups 931, 932, 941, 942, 951, 952, 961, 962, 971, 972, 981, 982 of transmitters 2 facing the second groups 412, 422 of transmitters.
  • Each pair 93, 94, 95, 96, 97, 98 of transmitters comprises a subgroup 931, 941, 951, 961, 971, 981 of transmitters 2 of the stabilizer 91 of the dome 41 and a subgroup 932, 942, 952, 962, 972, 982 of transmitters 2 of the stabilizer 92 of the dome 42.
  • the two subgroups 931, 932, 941, 942, 951, 952, 961, 962, 971, 972, 981 and 982 of transmitters 2 of a pair 93, 94, 95, 96, 97, 98 of transmitters 2 are located on either side of the median plane.
  • a subgroup 931, 932, 941, 942, 951 of transmitters 2 of a pair 93, 94, 95, 96, 97, 98 belongs to the stabilizer 91 of a dome 41 and is opposite the other subgroup 932, 942, 952, 962, 972, 982 of transmitters 2 of the pair 93, 94, 95, 96, 97, 98 which belongs to the stabilizer 92 of the other dome 92.
  • the stabilizers 91, 92 are arranged to form at least one pair of pairs of emitters 2.
  • the stabilizers 91, 92 form six pairs 93 to 98 of emitters 2
  • the stabilizers 91 , 92 are arranged, in addition, to form three pairs 93-96, 94-97 and 95-98 of pairs of emitters 2.
  • Each pair 93-96, 94-97, 95-98 of pairs is arranged so that each subgroup 931 to 981 of a couple 93 to 98 of a pair 93-96, 94-97, 95-98 of couples considered is located opposite a subgroup 932 to 982 of the other couple 93 to 98 of the pair of couples considered.
  • the subgroup 931, which is included in the stabilizer 91, of the couple 93 is radially opposite to the subgroup 962, which is included in the stabilizer 91.
  • the stabilizer 92, of the couple 96 and the subgroup 961, which is included in the stabilizer 91, of the couple 96 is radially opposite to the subgroup 932, which is included in the stabilizer 92, of the couple 93.
  • the subgroup 941, which is included in the stabilizer 91, of the couple 94 is radially opposite to the subgroup 972, which is included in the stabilizer 92, of the couple 97 and the subgroup 971, which is included in the stabilizer 91, of the couple 97 is radially opposite to the subgroup 942, which is included in the stabilizer 92, of the couple 94.
  • the subgroup 951, which is included in the stabilizer 91, of the couple 95 is radially opposite to the subgroup 982, which is included in the stabilizer 92, of the couple 98 and the subgroup 981, which is included in the stabilizer 91, of the couple 98 is radially opposite to the sub -group 952, which is included in the stabilizer 92, of the couple 95.
  • the arrangement of the couples 93 to 98 makes it possible to stabilize laterally, that is to say perpendicular to the axis of revolution, and in a controlled manner, the object in levitation by acting on the levitating object in several lateral directions independently. It should be noted that this effect is made possible due to the absence of coupling between the acoustic waves emitted by the emitters 2 of the caps 81, 82 and the acoustic waves emitted by the emitters 2 of the stabilizers 91, 92.
  • the pair 93-96 of couples 93, 96 considered independently of the other pairs 94-97, 95-98 of couples 94, 95, 96, 97, 98, makes it possible to stabilize the levitating object laterally by acting on the object levitating in the first lateral direction included in the plane of FIGURE 1, 2a, 2b and 2c, comprising the center 3 of the device 1, perpendicular to the axis of revolution 8 and included in the median plane 7.
  • the use of the pair 93-96 of pairs of transmitters 2, considered independently of the other pairs 94-97, 95-98 of pairs makes it possible to further improve the lateral stabilization of the levitating object. by acting on the levitating object in the first lateral direction.
  • a phase of the acoustic waves emitted by the transmitters 2 of the subgroups 931 and 932 of the pair 93 is identical and a phase of the acoustic waves emitted by the transmitters 2 of the subgroups 961 and 962 of the pair 96 is identical.
  • the description given in this paragraph can be transposed to other pairs 94-97, 95-98 of pairs of transmitters 2 and to the respective lateral stabilization directions.
  • a phase of the acoustic waves emitted by the transmitters 2 of the two subgroups 931-932, 941-942, 951-952, 961-962, 971-972 and 981-982 of each of the couples 93 is identical.
  • lateral stabilization is improved by regionalizing the control of acoustic waves emitted by subgroups of transmitters 931-932, 941-942, 951-952, 961-962, 971-972 and 981-982 within each of the couples 93-98.
  • the arrangement of the couples 93, 94, 95, 96, 97, 98 also allows the object intended to levitate to be translated laterally.
  • an offset is introduced, within the pair 93-96 of couples, between the phase of the acoustic wave emitted by the subgroup 931 of transmitters 2 and the subgroup 962 of transmitters 2 and/or to introduce an offset between the phase of the acoustic wave emitted by the subgroup 961 of transmitters 2 and the subgroup 932 of transmitters 2.
  • phase shift preferably identical, between the acoustic waves emitted by each of the four subgroups 931-962/932-961, 941-972/942-971 and 951-982/952-981 of transmitters 2 of the two pairs 93 and 96, 94 and 97, 95 and 98, of each pair 93-96, 94-97, 95-98 of couples.
  • a phase of the acoustic waves emitted by the transmitters 2 of the same pair 93, 96, 94, 97, 95 and 98 of transmitters are identical and in phase opposition with the phase of the acoustic waves emitted by the other pair 96, 93, 97, 94, 98 of the pair 93-96, 94-97 and 95-98 of pairs.
  • the acoustic levitation device 1 according to the embodiment makes it possible to manipulate an object without direct contact with the object.
  • the phase of the acoustic waves emitted by the subgroups 931, 932 of transmitters 2 differs from the phase of the acoustic waves emitted by at least one other subgroup 941, 942, 951, 952, 961, 962, 971, 972, 981, 982 of transmitters 2 of at least one other of the pairs 94, 95, 96, 97, 98.
  • the phase of the acoustic waves emitted by the pairs 93 and 96 of couples is identical and differs from the phase of the waves acoustics emitted by at least one of the other two of the pairs 94-97 and 95-98.
  • each pair 93, 94 and 95 of a pair of pairs 93-96, 94,-97 and 95-98 emits an acoustic wave in phase opposition with the other couples 96, 97 and 98 of the pair of couples considered.
  • This characteristic also makes it possible to stabilize the object laterally, that is to say perpendicular to the axis of revolution, even further by countering the instabilities and disturbances inherent in the process of levitation by acoustic waves of an object intended to levitate.
  • gas recirculations occur which disrupt the ultrasound on the scale of the entire levitation device.
  • Such a levitation device 1 therefore makes it possible to completely manipulate an object without direct contact with the object. It is thus possible to position the object, that is to say to orient it, rotate it and/or translate it, to allow its observation and/or analysis and/or to subject it to treatment. local without resorting to direct interaction with the latter.
  • the phase of the acoustic wave emitted by at least one pair 93, 94, 95, 96, 97, 98 of transmitters 2 considered should be greater than or less than the phase of the acoustic wave emitted by a pair 93, 94, 95, 96, 97, 98 of transmitters 2 which is adjacent, by rotation relative to the axis of revolution 5, to the pair of transmitters considered.
  • the two pairs 93-96, 94,-97 and 95-98 of a pair of pairs emit acoustic waves in phase opposition and each of the pairs 93-96, 94,-97 and 95-98 of pairs of transmitters 2 emits an acoustic wave whose phase is greater or lower than the phase of the acoustic wave emitted by the pair of pairs of transmitters 2 which is adjacent to it, by rotation clockwise or counterclockwise relative to the axis of revolution 5.
  • introducing a phase difference between the acoustic wave emitted by at least one pair 93, 94, 95, 96, 97, 98 of transmitters 2 and the other pairs of transmitters makes it possible to rotate an object intended to levitate by dynamically varying, by controlled rotation, the phase difference of the acoustic waves emitted from one couple to an adjacent couple, by rotation relative to the axis of revolution 5.
  • the value of the phase of the acoustic wave emitted by couples 931 and 932 at time t becomes the value of the phase of the acoustic wave emitted by couples 941 and 942 at time t+At
  • the value of the phase of the acoustic wave emitted by the couples 941 and 942 at time t becomes the value of the phase of the acoustic wave emitted by couples 951 and 952 at time t+At
  • the value of the phase of the acoustic wave emitted by couples 951 and 952 at time t becomes the value of the phase of the acoustic wave emitted by couples 961 and 962 at time t+At
  • the value of the phase of the acoustic wave emitted by couples 961 and 962 at time t becomes the value of the phase of the acoustic wave emitted by couples 971 and 972 at time t+At
  • the two couples 93-96, 94,-97 and 95-98 of a pair of couples emit acoustic waves in opposition to phase and the value of the phase of the acoustic wave emitted by the pair of couples 93-96 at time t becomes the value of the phase of the acoustic wave emitted by the pair of couples 94-97 at time t+At, the value of the phase of the acoustic wave emitted by the pair of couples 94-97 at time t becomes the value of the phase of the acoustic wave emitted by the pair of couples 95-98 at time t+At and the value of the phase of the wave acoustic wave emitted by the pair of couples 95-98 at time t becomes the value of the phase of the acoustic wave emitted by the pair of couples 93-96 at time t+At.
  • the value of the phases of the acoustic waves emitted by each of the pairs 93, 94, 95, 96, 97 and 98 can also vary and/or be modulated during the controlled rotation of the phase of the acoustic waves.
  • the angular rotation speed of the phase of the acoustic waves can also vary and/or be modulated during this controlled rotation.
  • the pairs 93-96, 94,-97 and 95-98 of a pair of couples emit acoustic waves in opposition to phase and the phase of the acoustic wave emitted by each of the pairs 93-96, 94,-97 and 95-98 of pairs of emitters 2 increases or decreases by successive increments from a pair 93-96, 94,-97 and 95-98 of pairs of emitters 2 to a pair of pairs 93-96, 94,-97 and 95-98 of emitters 2 adjacent by rotation relative to the axis of revolution 5.
  • FIGURES 3a, 3b and 3c illustrate images of the acoustic waves generated by the stabilizer 91, 92 taken in the plane perpendicular to the median plane 7 and which includes the axis of revolution 5. On the abscissa axis and on the axis from the ordinates the distance is reported in meters.
  • the acoustic waves emitted by the emitters 2 of the caps 81, 82 and the acoustic waves emitted by the emitters 2 of the stabilizers 91, 92 are obtained with a reference emission intensity.
  • FIGURE 3a shows an image of the acoustic waves generated by the caps 81, 82 of the acoustic levitation device 1 according to the embodiment.
  • FIGURE 3b shows an image of the acoustic waves generated by the stabilizers 91, 92 of the acoustic levitation device 1 according to the embodiment.
  • FIGURE 3c shows an image of the acoustic waves generated simultaneously by the caps 81, 82 and the stabilizers 91, 92 of the acoustic levitation device laccording to the embodiment.
  • FIGURE 4 the effect linked to the use of pairs of transmitters 2 for each stabilizer 91, 92 is illustrated.
  • the effect of the use of six pairs 93, 94, 95, 96, 97, 98 of emitters 2, that is to say six subgroups 931, 941, 951, 961, 971, 981 of emitters 2 for the stabilizer 91 and six subgroups of transmitters 932, 942, 952, 962, 972, 982 for the stabilizer 92 are presented.
  • Each pair 93-96, 94-97 and 95-98 of couples emits acoustic waves in phase opposition.
  • the images in FIGURE 4 are taken in the median plane 7.
  • the acoustic waves emitted by the emitters 2 of the caps 81, 82 and the acoustic waves emitted by the emitters 2 of the stabilizers 91, 92 are obtained with an emission intensity of reference.
  • the distance in meters is plotted on the x-axis and on the y-axis.
  • FIGURE 4 is illustrated the case where a phase shift of the acoustic wave is introduced between the adjacent pairs 93, 94 and 95 of neighboring emitters 2 of a value of n (image 4a), of a value of n/3 (image 4b) and a value of 0 (image 4c).
  • couples 96, 97 and 98 are in phase opposition respectively with couples 93, 94 and 95.
  • the phase of the acoustic wave emitted by subgroups 931, 932, 961 and 962 is greater, or respectively lower, by a value of n/6 to the phase of the acoustic wave emitted by subgroups 941, 942, 971 and 972, the phase of the acoustic wave emitted by subgroups 941, 942 , 971 and 972 is greater, or respectively less, by a value of n/3 than the phase of the acoustic wave emitted by subgroups 951, 952, 981 and 982 and the phase of the acoustic wave emitted by subgroups 951, 952, 981 and 982 is greater, or respectively lower, by a value of n/3 than the phase of the acoustic wave emitted by subgroups 931, 932, 961 and 962.
  • This mode embodiment generates the creation of a potential barrier 11 totally confining the sample to
  • FIGURE 4 On the left image of FIGURE 4 (image 4a) is illustrated the case where a phase shift of the acoustic wave of n is introduced between pairs 93-96, 94,-97 and 95-98 of pairs of 2 neighbor transmitters.
  • This embodiment results in the creation of small flow channels 12, with a width of around 1 to 2 mm.
  • the size of the flow channels 12 is sufficient so that gases can flow out of the center 3 but sufficiently small so as not to impact the stabilization of the levitating object.
  • This embodiment is particularly suitable, among other things, in the case where hot gases are present or generated, for example by heating, at the level of the center 3 of the levitation device 1 and therefore at the level of the levitating sample.
  • the annular opening 10 has the effect of ensuring the evacuation of gases, in particular gases flowing through the flow channels 12, out of the levitation device 1. Furthermore, even in the presence of these flow channels 12, it was observed that the configuration of the acoustic field obtained as illustrated in image 4c of FIGURE 4, makes it possible to maintain a restoring force of the sample in the levitation zone in an almost isotropic in the horizontal plane and therefore obtain good horizontal stabilization of the sample.
  • FIGURE 4 The results in FIGURE 4 are only three non-limiting examples and a wide choice of phase shift values of the acoustic wave couples 93, 94, 95, 96, 97, 98 of 2 neighbor emitters or between pairs 93-96, 94,-97 and 95-98 of pairs of 2 neighbor emitters is possible. Thus, numerous acoustic field configurations are available depending on the intended application.
  • the emission by at least part of the couples 93, 94, 95, 96, 97, 98 preferably by each couple 93, 94, 95, 96, 97, 98, of an acoustic wave having a phase which increases or decreases, in particular by continuous successive increment, from a given pair of transmitters to a neighboring or adjacent pair of transmitters 93, 94, 95, 96 , 97, 98, by rotation relative to the axis of revolution 5, makes it possible to adapt to experimental needs.
  • the distance B separating the maximum lateral movements of the steel ball 14 observed without contribution from the stabilizers 91, 92 is 128 pixels, which approximately corresponds to a lateral movement of 2.6 mm.
  • the distance C separating the maximum lateral movements of the steel ball 14 observed with the contribution of the stabilizers 91, 92 and for a voltage applied to emitters 2 of 12 Volts is 56 pixels, which approximately corresponds to a lateral movement of 1.2 mm. It is therefore possible to obtain a minimum lateral stabilization gain of 2.3 with the levitation device 1 according to the embodiment.
  • the acoustic levitation method according to the invention comprises the step of delivering a sinusoidal power supply signal, centered on, or delivering at, the resonance frequency of the transmitters 2.
  • the power supply of the transmitters of the State-of-the-art devices are provided by square waves. These square waves do not precisely correspond to the resonance frequency of emitters and involve heat dissipation due to the partial conversion of the injected power. Heat dissipation induces a reduction in the conversion efficiency of the power supplied. This heat dissipation also leads to heating of the transmitters and, consequently, to a shift in the resonance frequency of the acoustic transmitters. This shift in the resonance frequency induces an additional reduction in efficiency which adds to the previous one.
  • powering the emitters 2 with a sinusoidal signal makes it possible to avoid heat dissipation and, consequently, the shift in the resonant frequency of the emitters 2, and contributes to improving the stabilization of the sample provided by the levitation device 1 according to the invention.
  • supplying the emitters 2 with a sinusoidal signal also makes it possible to increase the duration of levitation of dense samples, for example metals, at high temperatures. Indeed, these experimental conditions require that the transmitters 2 operate at a higher power (typically a power higher than 30% of the nominal power) to compensate for the additional instabilities.
  • powering the transmitters 2 with a sinusoidal signal also makes it possible to limit wear (or increase the lifespan) of the transmitters 2.
  • the transmitters 2 of the device 1 according to the invention are intended to be powered by an operational amplifier, denoted AOP, of power.
  • the device 1 comprises an AOP arranged to power the transmitters 2.
  • the AOP is arranged to deliver a sinusoidal wave.
  • the AOP is arranged to operate in linear mode.
  • the AOP is intended to be powered, and it is advantageously powered, by a symmetrical power supply.
  • the symmetrical power supply operates in continuous mode.
  • the balanced power supply provides two opposing voltage outputs as well as a common ground output at zero potential.
  • the output of the AOP is controlled by a low power signal from a low frequency generator (GBF). This signal has a sinusoidal shape, controlled in frequency and amplitude.
  • the power inputs of the AOP are connected to the outputs of the balanced power supply.
  • the transmitters 2 of the device 1 according to the invention are intended to be powered by a power supply device, called modular, comprising an electronic circuit with H-bridge transistors coupled to one or more RLC circuits, acting as electronic filters.
  • the RLC circuit(s) are arranged to convert the square signal delivered by the electronic H-bridge circuit into a sinusoidal power signal.
  • the device 1 comprises the modular power supply device.
  • This embodiment also provides better control of the waveforms delivered at the output of the power supply device, for example by controlling the control of the H-bridges, for example by means of a microcontroller.
  • the AOP supplies the transmitters 2 of the device 1 with, or delivers, a sinusoidal power signal, centered on, or delivering at, the resonance frequency of the transmitters 2.
  • This embodiment makes it possible to avoid losses and heating induced by electronic H-bridge structures with transistors delivering a square signal.
  • the use of the AOP according to the embodiment also makes it possible to limit the wear of the emitters 2 of the device 1 according to the invention by limiting the wear of the emitters 2 (or increasing the lifespan) induced by heating and mechanical stresses outside the operating range of the transmitters 2.

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Abstract

Dispositif de lévitation acoustique comprenant un ensemble d'émetteurs à ultra-sons, dits émetteurs, agencés pour émettre, chacun, une onde acoustique focalisée en un centre du dispositif acoustique, l'ensemble d'émetteurs est agencé pour obtenir des ondes acoustiques stationnaires dont une intensité est maximale au centre du dispositif de lévitation, le dispositif de lévitation comprend deux coupoles en vis-à-vis. Chaque coupole comprend un premier groupe d'émetteurs à ultra-sons, dits émetteurs, formant une calotte s'étendant entre un pôle et un stabilisateur et un second groupe d'émetteurs à ultra-sons, dits émetteurs, formant le stabilisateur et s'étendant depuis la calotte en direction d'un plan du dispositif, dit plan médian, qui est perpendiculaire à l'axe reliant le pôle de chacune des coupoles, dit axe de révolution, et qui est situé à équidistance des deux pôles. Les stabilisateurs sont agencés pour former au moins deux couples d'émetteurs comprenant, chacun, deux sous-groupes d'émetteurs situés de part et d'autre du plan médian, un sous-groupe d'émetteurs d'un couple appartenant au stabilisateur d'une coupole est en vis-à-vis de l'autre sous-groupe d'émetteurs du couple appartenant au stabilisateur de l'autre coupole. Les émetteurs de la calotte de chacune des coupoles sont agencés pour émettre une onde acoustique présentant une première fréquence f1 et les émetteurs du stabilisateur de chacune des coupoles sont agencés pour émettre une onde acoustique présentant une fréquence f2 différente de f1. Les deux sous-groupes d'émetteurs d'un des couples d'émetteurs sont agencés pour émettre des ondes acoustiques dont une phase diffère d'une phase des ondes acoustiques émises par les deux sous-groupes d'émetteurs d'un autre des couples.

Description

DESCRIPTION
Dispositif de lévitation acoustique
Domaine technique
La présente invention se rapporte au domaine des dispositifs de lévitation.
La présente invention concerne, en particulier, un dispositif de lévitation pour la caractérisation des matériaux à hautes températures, typiquement des températures supérieures à 800°C. A titre d'exemple, l'étude des métaux à l'état liquide est une étape clé de la métallurgie. En pratique, cette étape correspond à l'ajustement de la composition chimique de l'alliage ainsi qu'aux opérations nécessaires à l'élimination des défauts inclusionnaires, éléments non miscibles dans l'alliage qui dégradent ses propriétés d'usage.
La maitrise des outils industriels pour l'élaboration des nouvelles générations d'alliages nécessite une parfaite connaissance des propriétés thermo-physiques à très hautes températures, ainsi que la compréhension des mécanismes de genèse de défauts inclusionnaires. Par ailleurs, la connaissance des propriétés thermophysiques à l'état liquide est particulièrement critique en métallurgie additive, que ce soit pour élaborer des poudres ou au cœur du procédé d'impression 3D.
Il est nécessaire d'étudier finement le métal liquide aux très hautes températures pour caractériser précisément certaines propriétés thermo-physiques, par exemple la viscosité ou la tension de surface, ou bien encore les phénomènes réactifs à l'origine des inclusions. Une telle approche pose de grandes difficultés sur le plan expérimental.
Etat de la technique antérieure
On connaît dans l'état de la technique l'utilisation d'un creuset dans lequel le métal à analyser est porté à l'état liquide. Au-delà des conditions opératoires difficilement accessibles pouvant être de 1500 à 2000 °C, les alliages sont très réactifs et il n'existe aucun creuset pouvant garantir l'absence de pollution de l'échantillon à l'état liquide par le creuset.
On connaît également dans l'état de la technique l'utilisation consistant à faire léviter l'alliage afin d'éliminer toute pollution chimique potentielle en provenance d'un creuset.
Parmi ces techniques on connait la lévitation-fusion par induction : elle est générée par une bobine verticale. Le couplage fort entre la lévitation et le chauffage impose une plage de température de chauffage réduite. De plus, les forces induites génèrent des écoulements internes préjudiciables aux études des métaux en fusion. Cette technique n'est applicable qu'aux métaux. Enfin, cette technique impose d'adapter la bobine à chaque type de matériau étudié.
On connait également la lévitation aérodynamique. Cette technique consiste à soulever la matière par un jet de gaz sous l'échantillon. La chauffe est assurée indépendamment par un laser. La technique est bien adaptée aux objectifs visés, mais présente cependant des inconvénients. L'échantillon est partiellement caché par la tuyère expulsant le gaz et l'écoulement du gaz autour de l'échantillon génère un écoulement en surface de l'échantillon.
Il existe également la lévitation électrostatique qui est particulièrement adaptée à l'étude du métal liquide. Toutefois, cette technique est difficile à mettre en œuvre. En outre, elle est limitée aux métaux et difficilement adaptable aux matériaux peu conducteurs.
A l'heure actuelle, aucun dispositif de lévitation acoustique ne permet de maintenir en lévitation des métaux de haute densité à l'état liquide pour des températures supérieures à 700°C. Le principal écueil est lié à l'utilisation d'une source unique de forte puissance couplée à un réflecteur. Or la célérité des ondes dans le gaz varie fortement avec la température. Avec un tel système, la chauffe engendre systématique de forte perturbation sur le champ de pression acoustique.
Un but de l'invention est, en outre, de proposer un dispositif de lévitation acoustique :
- permettant de manipuler tout type d'alliage métallique, et/ou
- permettant de stabiliser l'objet en lévitation, et/ou
- permettant de manipuler un objet avec une précision micrométrique, et/ou
- permettant de manipuler un objet solide ou liquide, et/ou
- permettant d'étudier un échantillon sur une large gamme de température et jusqu'à des températures de 2500°C, et/ou
- permettant d'étudier tout type d'échantillon, quel que soit sa densité, et/ou
- ne nécessitant pas de moyen de contrôle électronique complexe ni de boucle de rétroaction, et/ou
- simple d'utilisation, et/ou
- peu coûteux et simple à mettre en œuvre.
Présentation de l'invention A cet effet, il est proposé un dispositif de lévitation acoustique comprenant un ensemble d'émetteurs à ultra-sons, dits émetteurs, agencés pour émettre, chacun, une onde acoustique focalisée en un centre du dispositif acoustique, l'ensemble d'émetteurs est agencé pour obtenir des ondes acoustiques stationnaires dont une intensité est maximale au centre du dispositif de lévitation. Le dispositif de lévitation comprend deux coupoles en vis-à-vis. Chaque coupole comprend :
- un premier groupe d'émetteurs à ultra-sons, dits émetteurs, formant une calotte s'étendant entre un pôle et un stabilisateur,
- un second groupe d'émetteurs à ultra-sons, dits émetteurs, formant le stabilisateur et s'étendant depuis la calotte en direction d'un plan du dispositif, dit plan médian, qui est perpendiculaire à l'axe reliant le pôle de chacune des coupoles, dit axe de révolution, et qui est situé à équidistance des deux pôles.
Les stabilisateurs sont agencés pour former ou comprennent, de préférence les émetteurs de chaque stabilisateurs sont agencés pour former, au moins deux couples d'émetteurs comprenant, chacun, deux sous-groupes d'émetteurs situés de part et d'autre du plan médian, un sous-groupe d'émetteurs d'un couple appartenant au stabilisateur d'une coupole est en vis-à-vis de l'autre sous-groupe d'émetteurs du couple appartenant au stabilisateur de l'autre coupole, chaque sous-groupe d'émetteurs comprend au moins un émetteur.
De préférence, les émetteurs de la calotte de chacune des coupoles sont agencés pour émettre une onde acoustique présentant une première fréquence fi et les émetteurs du stabilisateur de chacune des coupoles sont agencés pour émettre une onde acoustique présentant une fréquence f2 différente de fi. De préférence encore, le dispositif de lévitation acoustique comprend, en outre, une unité de commande agencée pour que les émetteurs de la calotte de chacune des coupoles sont agencés pour émettre une onde acoustique présentant une première fréquence fi et les émetteurs du stabilisateur de chacune des coupoles sont agencés pour émettre une onde acoustique présentant une fréquence f2 différente de fi.
De préférence, les deux sous-groupes d'émetteurs d'un des couples d'émetteurs sont agencés pour émettre des ondes acoustiques dont une phase diffère d'une phase des ondes acoustiques émises par les deux sous-groupes d'émetteurs d'au moins un autre des couples. De préférence encore, l'unité de commande est agencée, en outre, pour qu'une phase des ondes acoustiques émises par les deux sous-groupes d'émetteurs d'un des couples d'émetteurs diffère d'une phase des ondes acoustiques émises par les deux sous-groupes d'émetteurs d'au moins un autre des couples.
De préférence, les émetteurs à ultra-sons sont des émetteurs piézoélectriques. De préférence, le centre du dispositif acoustique est un centre géométrique du dispositif de lévitation.
De préférence, le centre du dispositif de lévitation est intersecté par l'axe d'intensité maximale de l'onde acoustique émise par chacun des émetteurs.
Les coupoles peuvent être de forme ovoïde, de préférence de forme sphérique.
De préférence, la partie concave d'une coupole est située en vis-à-vis de la partie concave de l'autre coupole.
De préférence, le premier et le second groupe d'émetteurs d'une coupole constitue l'ensemble des émetteurs de la coupole.
De préférence, chaque émetteur du premier groupe d'émetteurs d'une coupole est radialement opposé à un autre émetteur du premier groupe d'émetteurs de l'autre coupole. De préférence, chaque émetteur du second groupe d'émetteurs d'une coupole est radialement opposé à un autre émetteur du second groupe d'émetteurs de l'autre coupole.
De préférence, le pôle d'une coupole est, ou constitue, également un pôle du dispositif de lévitation.
De préférence, la calotte d'une coupole considérée s'étend entre le pôle et le stabilisateur de la coupole considérée selon une direction s'étendant depuis le pôle de la coupole considérée vers le plan médian.
De préférence, l'axe reliant le pôle de chacune des coupoles est un axe de symétrie du dispositif de lévitation. L'axe reliant le pôle de chacune des coupoles peut être défini comme l'axe reliant les deux pôles du dispositif de lévitation.
De préférence, un objet ou un échantillon à analyser est destiné à léviter au centre du dispositif de lévitation.
De préférence, chaque coupole comprend au moins deux sous-groupes d'émetteurs.
De préférence, la phase de l'onde émise par un des couples d'émetteurs diffère des phases des ondes stationnaires émises par chacun des autres couples d'émetteurs.
De préférence, un couple d'émetteurs émet une onde stationnaire présentant une phase différente d'une phase d'une onde stationnaire émise par un autre des couples d'émetteurs. De préférence, chaque couple d'émetteurs émet une onde stationnaire présentant une phase différente.
De préférence, les émetteurs du stabilisateur, et de préférence les émetteurs de la calotte, de chaque coupole sont répartis ou s'étendent sur 360°. De préférence, les émetteurs du stabilisateur, et de préférence les émetteurs de la calotte, de chaque coupole sont répartis ou s'étendent sur l'ensemble de la partie de la coupole formé par stabilisateur. De préférence, les émetteurs du stabilisateur de chaque coupole forment une tranche ou une portion de sphère dont l'axe de révolution est confondu avec l'axe de révolution du dispositif de lévitation.
De préférence, le premier groupe d'émetteurs comprend au moins deux rangées d'émetteurs. De préférence, le second groupe d'émetteurs comprend au moins une rangée d'émetteurs.
De préférence, une rangée est définie comme une ligne courbe ou un anneau. De préférence, une rangée est parallèle à une autre rangée. De préférence, les rangées sont parallèles entre elles et/ou parallèle au plan médian.
De préférence, une rangée forme un anneau. De préférence, un centre d'un anneau d'émetteurs, de préférence encore le centre de chacun des anneaux, est confondu avec ou appartient à l'axe de révolution. De préférence, les anneaux forment un empilement d'anneaux répartis le long de l'axe de révolution.
De préférence, le dispositif de lévitation comprend, de préférence encore les stabilisateurs comprennent ou sont agencés pour former, au moins une paire de couples d'émetteurs. Chaque paire de couples d'émetteurs est agencée de sorte que chaque sous-groupe d'un couple d'une paire de couples considérée soit radialement opposé à un sous-groupe de l'autre couple de la paire de couples considérée.
L'unité de commande peut être agencée pour qu'une phase des ondes acoustiques émises par les deux couples d'une paire de couples soit identique.
Le dispositif de lévitation peut comprendre au moins trois couples. De préférence, le dispositif de lévitation comprend au moins trois couples et l'unité de commande peut être agencée pour qu'une phase des ondes acoustiques émises par un des couples soit identique à une phase émise par un autre des couples.
Le dispositif de lévitation peut comprendre au moins deux paires de couples. De préférence, le dispositif de lévitation comprend au moins deux paires de couples et l'unité de commande peut être agencée pour qu'une phase des ondes acoustiques émises par deux couples, de préférence par les deux couples d'une paire de couples, soit identique.
De préférence, l'unité de commande est agencée pour qu'une phase des ondes acoustiques émises par les deux couples d'une paire de couples, de préférence par chaque paire de couples, soit différente. De préférence, l'unité de commande est agencée pour que les ondes acoustiques émises par les deux couples d'une paire de couples, de préférence de chaque paire de couples, soit en opposition de phase.
De préférence, une portion de sphère comprenant le plan médian et s'étendant entre le stabilisateur de chacune des coupoles est dépourvue d'émetteur, la portion de sphère forme une ouverture annulaire offrant un accès au centre du dispositif de lévitation.
De préférence, la portion de sphère forme une rangée ou, de préférence encore, un anneau.
De préférence, il est entendu par accès au centre du dispositif l'accès à l'objet destiné à léviter.
De préférence, l'ouverture annulaire s'étend sur 360°, c'est-à-dire sur l'ensemble du pourtour du dispositif de lévitation. De préférence, l'accès au centre du dispositif de lévitation, depuis l'extérieur du dispositif de lévitation, est permis depuis l'ensemble du pourtour du dispositif de lévitation. De préférence, l'accès au centre du dispositif de lévitation, depuis l'extérieur du dispositif de lévitation, est réalisé au niveau ou aux environs du plan médian.
De préférence, le premier groupe d'émetteurs de chaque coupole est agencé pour que les ondes acoustiques stationnaires générées mettent en lévitation un objet destiné à léviter au centre du dispositif de lévitation.
De préférence, le second groupe d'émetteurs de chaque coupole est agencé pour que les ondes acoustiques stationnaires générées stabilisent latéralement l'objet destiné à léviter.
De préférence, selon l'invention, il est entendu par latéralement une direction s'étendant selon un axe perpendiculaire à l'axe de révolution.
De préférence, l'unité de commande est agencée pour que la phase de l'onde acoustique émise par un couple d'émetteurs donné soit supérieure ou inférieure à la phase de l'onde acoustique émise par un couple d'émetteurs adjacent et/ou consécutif, par rotation autour ou par rapport à l'axe de révolution, au couple d'émetteurs donné.
De préférence, l'unité de commande agencée pour que la phase de l'onde acoustique émise par un couple d'émetteurs donné, ou respectivement une paire de couples d'émetteurs donnée, soit supérieure ou inférieure à la phase de l'onde acoustique émise par un couple d'émetteurs, ou respectivement une paire de couples d'émetteurs, adjacent et/ou consécutif, par rotation autour ou par rapport à l'axe de révolution, au couple d'émetteurs donné, ou respectivement à la paire de couples d'émetteurs donnée.
De préférence, il est entendu par « couple d'émetteurs, ou respectivement par paire de couples d'émetteurs, adjacent(e) et/ou consécutif(ve) », un couple d'émetteurs, ou respectivement une paire de couples d'émetteurs, qui est adjacent(e) et/ou consécutif(ve), par rotation autour de l'axe de révolution dans le sens horaire ou antihoraire, à un couple d'émetteurs donné, ou respectivement à une paire de couples d'émetteurs donnée.
De préférence, l'unité de commande agencée pour que la phase de l'onde acoustique émise par les au moins deux couples d'émetteurs augmente ou diminue, de préférence par incrémentation successive, d'un couple d'émetteurs donné à un couple d'émetteurs adjacent.
De préférence, la phase de l'onde acoustique émise par les au moins deux couples d'émetteurs augmente ou diminue par une même incrémentation successive ou par une même valeur d'incrément successif d'un couple d'émetteurs donné à un couple d'émetteurs adjacent.
De préférence, l'unité de commande agencée pour que la phase de l'onde acoustique émise par chaque couple d'émetteurs, ou respectivement par chaque paire de couples, d'émetteurs augmente ou diminue, de préférence par incrémentation successive, d'un couple d'émetteurs donné, ou respectivement d'une paire de couples d'émetteurs donnée, à un couple d'émetteurs, ou respectivement à une paire de couples d'émetteurs, adjacent(e).
De préférence, la fréquence fi est supérieure ou inférieure à la fréquence f2 d'au moins 10%, de préférence d'au moins 20%, de préférence encore d'au moins 30%, de manière préférée d'au moins 40% et de manière avantageuse d'au moins 50%.
De préférence, la fréquence fi est supérieure ou inférieure à la fréquence f2 d'au moins 5 kHz, de préférence encore d'au moins 10 kHz, de manière préférée d'au moins 15 kHz.
Selon l'invention, il est également proposé un Procédé de lévitation acoustique comprenant les étapes consistant à :
- émettre des ondes acoustiques présentant une première fréquence fi, les ondes acoustiques de fréquence fi sont émises par un premier groupe d'émetteurs à ultrasons formant une calotte s'étendant entre un pôle et un stabilisateur de chacune de deux coupoles, disposées en vis-à-vis l'une de l'autre, d'un dispositif de lévitation acoustique, le dispositif de lévitation acoustique comprend un ensemble d'émetteurs à ultra-sons, dits émetteurs, agencés pour émettre une onde acoustique focalisée en un centre du dispositif acoustique, l'ensemble d'émetteurs est agencé pour obtenir des ondes acoustiques stationnaires dont une intensité est maximale au centre du dispositif de lévitation,
- émettre des ondes acoustiques présentant une deuxième fréquence f2 différente de fi, les ondes acoustiques de fréquence f2 sont émises par un second groupe d'émetteurs à ultra-sons formant le stabilisateur de chacune des deux coupoles et s'étendant depuis la calotte en direction d'un plan du dispositif, dit plan médian, qui est perpendiculaire à l'axe reliant le pôle de chacune des coupoles et qui est situé à équidistance des deux pôles.
De préférence, les stabilisateurs forment au moins deux couples d'émetteurs situés de part et d'autre du plan médian, un sous-groupe d'émetteurs d'un couple appartenant au stabilisateur d'une coupole est en vis-à-vis de l'autre sous-groupe d'émetteurs du couple appartenant au stabilisateur de l'autre coupole. De préférence, chaque sous-groupe d'émetteur comprend au moins un émetteur.
De préférence, une phase des ondes acoustiques de fréquence f2 émises par un couple d'émetteurs diffère d'une phase des ondes acoustiques émises par au moins un autre couple d'émetteurs.
De préférence, le procédé comprend l'étape consistant à, de préférence encore pour chaque paire de couples d'émetteurs, émettre par un couple d'émetteurs d'une paire de couples d'émetteurs, des ondes acoustiques dont la phase est supérieure ou inférieure à la phase des ondes acoustiques émises par l'autre couple de la paire de couples d'émetteurs.
De préférence, le procédé comprend l'étape consistant à émettre, par un couple d'émetteurs donné, des ondes acoustiques dont la phase est supérieure ou inférieure à la phase des ondes acoustiques émises par un couple d'émetteurs adjacent au et/ou consécutif au couple d'émetteurs donné.
De préférence, le procédé comprend l'étape consistant à émettre, par un couple d'émetteurs donné, ou respectivement par une paire de couples d'émetteurs donnée, des ondes acoustiques dont la phase est supérieure ou inférieure à la phase des ondes acoustiques émises par un couple d'émetteurs, ou respectivement par une paire de couples d'émetteurs, adjacent(e) au et/ou consécutif(e) au couple d'émetteurs donné, ou respectivement à la paire de couple donnée.
De préférence, le procédé comprend l'étape consistant à émettre, par les au moins deux couples d'émetteurs, des ondes acoustiques dont la phase augmente ou diminue, de préférence par incrémentation successive, d'un couple d'émetteurs donné à un couple d'émetteurs adjacent.
De préférence, la phase de l'onde acoustique émise par les au moins deux couples d'émetteurs augmente ou diminue par une même incrémentation successive ou par une même valeur d'incrément successif d'un couple d'émetteurs donné à un couple d'émetteurs adjacent.
De préférence, le procédé comprend l'étape consistant à, de préférence encore pour chaque couple d'émetteurs, ou respectivement pour chaque paire de couples d'émetteurs, émettre, par un couple d'émetteurs, ou respectivement par une paire de couples d'émetteurs, des ondes acoustiques dont la phase augmente ou diminue, de préférence par incrémentation successive, d'un couple d'émetteurs donnée, ou respectivement d'une paire de couples d'émetteurs donnée, à couple d'émetteurs, ou respectivement à une paire de couples d'émetteurs, adjacent(e).
De préférence, la phase de l'onde acoustique émise par un couple d'émetteurs, ou respectivement par l'au moins une paire de couples d'émetteurs, augmente ou diminue par une même incrémentation successive ou par une même valeur d'incrément successif d'un couple d'émetteurs donné, ou respectivement d'une paire de couples d'émetteurs donnée, à un couple d'émetteurs, ou respectivement à une paire de couples d'émetteurs, adjacent(e).
De préférence, le procédé comprend l'étape consistant à faire varier dans le temps, d'un gradient identique ou proportionnel, la phase de l'onde acoustique émise par chacun des couples d'émetteurs de sorte à empêcher la rotation ou à entrainer la rotation contrôlée ou à empêcher une translation, selon un axe perpendiculaire à l'axe de révolution, ou à entrainer une translation contrôlée, selon un axe perpendiculaire à l'axe de révolution, d'un objet destiné à léviter.
De préférence, le procédé comprend l'étape consistant à faire varier dans le temps, d'un gradient identique ou proportionnel, la phase de l'onde acoustique émise par chaque couple d'émetteurs ou par chacune des paires de couples d'émetteurs de sorte à empêcher la rotation ou à entrainer la rotation contrôlée ou à empêcher une translation, selon un axe perpendiculaire à l'axe de révolution, ou à entrainer une translation contrôlée, selon un axe perpendiculaire à l'axe de révolution, d'un objet destiné à léviter.
De préférence, le procédé comprend l'étape consistant à appliquer une rotation active de la phase de l'onde acoustique émise par chacun des couples d'émetteurs et/ou par chacune des paires de couples d'émetteurs, dans le sens horaire ou antihoraire, de sorte à empêcher la rotation ou à entrainer la rotation contrôlée d'un objet destiné à léviter.
La rotation active de la phase de l'onde acoustique émise par chacun des couples d'émetteurs et/ou, respectivement, par chacune des paires de couples d'émetteurs peut être définie comme une variation coordonnée et/ou synchrone et/ou proportionnelle de la phase de l'onde acoustique émise par les couples d'émetteurs les uns par rapport aux autres et/ou, respectivement, par les paires de couples d'émetteurs les unes par rapport aux autres.
De préférence, le procédé comprend l'étape consistant à introduire un décalage entre une valeur de la phase de l'onde acoustique émise par un des couples d'émetteurs d'une paire de couples par rapport à une valeur de la phase de l'onde acoustique émise par l'autre couple de la paire de couples.
De préférence, le dispositif de lévitation selon l'invention convient, de préférence encore est particulièrement adapté, de manière davantage préférée est conçue et de manière particulièrement avantageuse est spécialement conçu, pour mettre en œuvre le procédé de lévitation selon l'invention.
Toute caractéristique du dispositif de lévitation selon l'invention est directement transposable au procédé de lévitation selon l'invention et inversement.
Description des figures
D'autres avantages et particularités de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de mises en œuvre et de modes de réalisation nullement limitatifs, et des dessins annexés suivants :
[Fig. 1] la FIGURE 1 est une représentation schématique d'une coupe en vue de côté d'un mode de réalisation du dispositif de lévitation acoustique selon l'invention, [Fig. 2a] la FIGURE 2a est une représentation schématique en vue de côté des calottes du dispositif de lévitation acoustique selon le mode de réalisation,
[Fig. 2b] la FIGURE 2b est une représentation schématique en vue de côté des couples des stabilisateurs du dispositif de lévitation acoustique selon le mode de réalisation,
[Fig. 2c] la FIGURE 2c est une représentation schématique en vue de côté illustrant les calottes et les couples des stabilisateurs du dispositif de lévitation acoustique selon le mode de réalisation,
[Fig. 2d] la FIGURE 2d est une représentation schématique en vue de dessus illustrant une calotte et les sous-groupes d'un stabilisateur d'une coupole du dispositif de lévitation acoustique selon le mode de réalisation,
[Fig. 3a] la FIGURE 3a est une vue latérale en coupe d'un mode de réalisation des ondes acoustiques générées par les calottes du dispositif de lévitation acoustique selon le mode de réalisation,
[Fig. 3b] la FIGURE 3b est une vue latérale en coupe d'un mode de réalisation des ondes acoustiques générées par les stabilisateurs du dispositif de lévitation acoustique selon le mode de réalisation,
[Fig. 3c] la FIGURE 3c est une vue latérale en coupe du mode de réalisation des ondes acoustiques générées par le dispositif de lévitation acoustique selon le mode de réalisation,
[Fig. 4] sur la FIGURE 4 sont présentées trois images en coupe en vue de dessus, dans le plan médian, des ondes acoustiques émises, selon trois modes de réalisation distincts, par les stabilisateurs du dispositif de lévitation acoustique selon le mode de réalisation,
[Fig. 5] sur la FIGURE 5 est présentée, à gauche, une image d'une bille d'acier en cours de fusion et en lévitation dans le dispositif de lévitation acoustique avec contribution des stabilisateurs et, à droite, une image de la bille d'acier en cours de fusion et en lévitation dans le dispositif de lévitation acoustique sans contribution des stabilisateurs. Description des modes de réalisation
Les modes de réalisation décrits ci-après étant nullement limitatifs, on pourra notamment considérer des variantes de l'invention ne comprenant qu'une sélection de caractéristiques décrites, isolées des autres caractéristiques décrites (même si cette sélection est isolée au sein d'une phrase comprenant ces autres caractéristiques), si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure. Cette sélection comprend au moins une caractéristique, de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure.
En référence aux FIGURES 1 et aux FIGURES 2a, 2b, 2c et 2d, il est présenté un mode de réalisation du dispositif de lévitation acoustique 1 selon l'invention. Le dispositif de lévitation 1 comprend un ensemble d'émetteurs à ultra-sons 2, dits émetteurs 2. Les émetteurs 2 sont agencés pour émettre, chacun, une onde acoustique focalisée en un centre 3 du dispositif acoustique 1. Les émetteurs à ultrasons 2 utilisés sont fabriqués par Manorshi® sous les références MSO-P1640H12T et MSO- P1625H12T. L'ensemble d'émetteurs 2 est agencé pour obtenir des ondes acoustiques stationnaires dont une intensité est maximale au centre 3 du dispositif de lévitation 1. Le mode de réalisation présenté est un exemple non limitatif d'un agencement possible des émetteurs 2. L'homme du métier saura comprendre la notion d'onde acoustique stationnaire comme étant une superposition de deux ondes acoustiques, se propageant selon un même axe et dans un sens opposé, dont les nœuds à pression nulle sont fixes dans l'espace. Selon le mode de réalisation non limitatif, le dispositif de lévitation acoustique 1 comprend cinquante-huit émetteurs 2. Chaque émetteur 2 d'une coupole 41, 42 est radialement opposé à un émetteur 2 différent de l'autre coupole 41, 42.
Le dispositif de lévitation 1 comprend deux coupoles 41, 42 en vis-à-vis. Un axe de révolution 5 relie les pôles 61, 62 de chacune des coupoles 41, 42. Un plan médian 7 perpendiculaire à l'axe de révolution 5 est situé à équidistance entre les pôles 61, 62. Selon le mode de réalisation, les coupoles 41, 42 sont sphériques.
Chaque coupole 41, 42 comprend un premier groupe 411, 421 d'émetteurs 2 formant une calotte 81, 82 s'étendant entre un pôle 61, 62 et un stabilisateur 91, 92. Le premier groupe 411, 421 de chaque calotte 81, 82 de chaque coupole 41, 42 comprend 54 émetteurs. Chaque émetteur 2 d'une calotte 81, 82 d'une coupole 41, 42 est radialement opposé à un émetteur 2 différent de l'autre calotte 81, 82 de l'autre coupole 41, 42.
Chaque coupole 41, 42 comprend un second groupe 412, 422 d'émetteurs 2 formant le stabilisateur 91, 92. Le second groupe 412, 422 d'émetteurs 2 s'étend entre la calotte 81, 82 de chaque coupole 41, 42 et en direction du plan médian 7. Le second groupe 412, 422 d'émetteurs de chaque calotte 81, 82 de chaque coupole 41, 42 comprend 54 émetteurs. Chaque émetteur 2 d'un stabilisateur 2 d'une coupole 41, 42 est radialement opposé à un émetteur 2 différent de l'autre stabilisateur 91, 92 de l'autre coupole 41, 42.
Selon le mode de réalisation et de manière avantageuse, les émetteurs 2 du premier groupe 411, 421 tapissent ou forme un pavage de ou sont répartis sur, de préférence encore de manière régulière ou homogène, l'ensemble de chaque calotte 81, 82. Selon le mode de réalisation et de manière avantageuse, les émetteurs 2 du second groupe 412, 422 tapissent ou forme un pavage de ou sont répartis sur, de préférence encore de manière régulière ou homogène, l'ensemble de chaque stabilisateur 91, 92.
Selon le mode de réalisation non limitatif, le premier groupe 411, 421 d'émetteurs 2 de chaque coupole 41, 42 comprend six anneaux d'émetteurs 2 dont un centre est confondu avec l'axe de révolution 5. Le second groupe 412, 422 d'émetteurs 2 comprend deux anneaux d'émetteurs 2 dont un centre est confondu avec l'axe de révolution 5. Le centre 3 du dispositif de lévitation acoustique 1 est situé à une distance d'environ huit centimètres (cm) des émetteurs 2. Le dispositif de lévitation acoustique 1 selon le mode de réalisation est agencé pour des échantillons dont la taille est comprise entre un et trois millimètres (mm). Tout type d'échantillon, et en particulier des échantillons à haute densité, par exemple le Platine avec une densité de 21,5, a pu être mis en lévitation de manière contrôlée avec le dispositif de lévitation acoustique 1 selon l'invention.
Le dispositif de lévitation 1 comprend un volume ou une zone d'espace 10, s'étendant entre les deux coupoles 41, 42, dépourvu d'émetteurs 2. La zone d'espace 10 constitue une portion de sphère 10 ou un anneau 10. La portion de sphère 10 comprend le plan médian 7. La portion de sphère 10 s'étend entre les deux stabilisateurs 91, 92. De préférence, la portion de sphère 10 est dépourvue de tout élément solide ou partie solide. Ainsi, la portion de sphère 10 constitue ou forme une ouverture annulaire 10 offrant un accès à 360° au centre 3 du dispositif de lévitation 1. De cette manière, l'accès au centre 3 du dispositif de lévitation 1 est possible sur l'ensemble du pourtour du dispositif de lévitation 1.
L'homme du métier comprendra que le dispositif acoustique 1 est destiné à être alimenté par une ou plusieurs alimentations sans que ces dernières ne fassent nécessairement partie intégrante de l'invention. En pratique, et de manière non limitative, les calottes 81, 82 sont destinées à être alimentées par une alimentation distincte de l'alimentation destinée à alimenter les stabilisateurs 91, 92. Le dispositif de lévitation acoustique 1 peut comprendre une unité de commande et/ou une unité de traitement sans que cette dernière ne fasse nécessairement partie intégrante de l'invention. L'unité de commande peut être agencée, entre autres, pour contrôler et/ou moduler les paramètres de sortie, par exemple une tension et/ou une fréquence et/ou une phase et/ou une puissance d'un signal destiné à alimenter un ou des émetteurs 2, de la ou des alimentations. A titre d'exemple non limitatif l'unité de commande peut être ou peut comprendre un microcontrôleur.
La lévitation d'objet sous l'effet d'ondes acoustiques fait apparaitre des instabilités et perturbations inhérentes au processus de mise en lévitation par ondes acoustiques, en particulier du fait des irrégularités géométriques de l'échantillon. En outre, sous certaines conditions expérimentales d'études de l'échantillon, en particulier lorsqu'il est chauffé ou a fortiori mis en fusion, des instabilités supplémentaires, tels que par exemple des flux de gaz chauds et la déformation géométrique de l'échantillon, apparaissent. Pour pallier ces instabilités et perturbations, les émetteurs 2 de la calotte 81, 82 de chacune des coupoles 41, 42 émettent une onde acoustique présentant une première fréquence fi et les émetteurs 2 du stabilisateur 91, 92 de chacune des coupoles 41, 42 émettent une onde acoustique présentant une fréquence f2 différente de fi. Selon le mode de réalisation non limitatif, les ondes acoustiques émises par les calottes 81, 82 présentent la même fréquence fl qui est de 40 kHz et les ondes acoustiques émises par les stabilisateurs 91, 92 présentent la même fréquence f2 qui est de 25 kHz. Cette caractéristique permet d'éviter le couplage entre les ondes acoustiques émises par les calottes 81, 82 et les ondes acoustiques émises par les stabilisateurs 91, 92. Ainsi, cette caractéristique permet de décorréler l'effet des calottes 81, 82 de l'effet des stabilisateurs 91, 92. Cette absence de couplage permet que l'agencement des calottes 81, 82 ait pour effet de mettre en lévitation l'objet en contrant la gravité. Cette absence de couplage permet que l'agencement des stabilisateurs 91, 92 ait pour effet de stabiliser latéralement l'objet en contrant les instabilités ou perturbations dans le plan horizontal. Ceci procure un contrôle accru de la lévitation et permet de confiner l'échantillon au centre 3 du dispositif de lévitation 1 en limitant, voire supprimant, les mouvements latéraux de l'échantillon. Il est à noter que la fréquence fi pourrait tout aussi bien être inférieure à la fréquence f2. L'homme du métier saura adapter les fréquences en fonction de la taille de l'échantillon destiné à léviter.
La lévitation d'objet liquide sous l'effet d'ondes acoustiques fait également ap- paraitre un écrasement ou un aplatissement vertical de l'échantillon sous l'effet de son propre poids et sous l'effet des ondes acoustiques, contrant l'effet de la gravité, assurant la lévitation de l'échantillon. Cet effet est inhérent aux dispositifs de lévitation acoustique de l'état de l'art. La caractéristique du dispositif de lévitation 1 selon laquelle les émetteurs 2 de la calotte 81, 82 de chacune des coupoles 41, 42 émettent une onde acoustique qui présentent une fréquence fi différente d'une fréquence f2 d'une onde émise par les émetteurs 2 du stabilisateur 91, 92 permet, en outre, de pallier à cet effet d'écrasement des pôles de l'échantillon en lévitation.
Les émetteurs 2 du second groupe 412, 422 d'émetteurs de chaque coupole 41, 42 sont agencés pour que les stabilisateurs 91, 92 forment au moins deux couples d'émetteurs 2. A titre d'exemple, l'utilisation de deux couples d'émetteurs permettra d'agir sur deux directions latérales, de préférence perpendiculaires. L'utilisation de trois couples d'émetteurs permettra d'agir sur trois directions latérales, de préférence formant un angle de 120° entre elles.
Selon le mode de réalisation, les stabilisateurs 91, 92 forment six couples 93, 94, 95, 96, 97, 98 d'émetteurs 2 selon le mode de réalisation non limitatif. Deux couples d'émetteurs 2 suffisent à obtenir l'effet minimum escompté de stabilisation latérale contrôlée. Six couples 93, 94, 95, 96, 97, 98 d'émetteurs 2 permettent un meilleur contrôle latéral de l'échantillon et offrent un bon compromis entre contrôle de la stabilisation latérale et complexité de l'électronique requis pour le contrôle des émetteurs 2 des couples 93, 94, 95, 96, 97, 98. Toutefois, rien ne s'oppose à utiliser un nombre plus important de couples d'émetteurs 2 pour offrir un contrôle de la stabilisation latérale accru. Chaque couple 93, 94, 95, 96, 97, 98 d'émetteurs 2 est formé par deux sous-groupes 931, 932, 941, 942, 951, 952, 961, 962, 971, 972, 981, 982 d'émetteurs 2 en vis-à-vis des seconds groupes 412, 422 d'émetteurs. Chaque couple 93, 94, 95, 96, 97, 98 d'émetteurs comprend un sous-groupe 931, 941, 951, 961, 971, 981 d'émetteurs 2 du stabilisateur 91 de la coupole 41 et un sous-groupe 932, 942, 952, 962, 972, 982 d'émetteurs 2 du stabilisateur 92 de la coupole 42. Les deux sous-groupes 931, 932, 941, 942, 951, 952, 961, 962, 971, 972, 981 et 982 d'émetteurs 2 d'un couple 93, 94, 95, 96, 97, 98 d'émetteurs 2 sont situés de part et d'autre du plan médian. Un sous-groupe 931, 932, 941, 942, 951 d'émetteurs 2 d'un couple 93, 94, 95, 96, 97, 98 appartient au stabilisateur 91 d'une coupole 41 et est en vis-à-vis de l'autre sous-groupe 932, 942, 952, 962, 972, 982 d'émetteurs 2 du couple 93, 94, 95, 96, 97, 98 qui appartient au stabilisateur 92 de l'autre coupole 92. Chaque sous-groupe 931, 932, 941, 942, 951, 952, 961, 962, 971, 972, 981, 982 d'émetteurs 2 comprend au moins un émetteur 2. Chaque sous- groupe 931, 932, 941, 942, 951, 952, 961, 962, 971, 972, 981, 982 d'émetteurs 2 comprend 9 émetteurs 2 selon le mode de réalisation non limitatif.
De manière avantageuse, les stabilisateurs 91, 92 sont agencés pour former au moins une paire de couples d'émetteurs 2. Selon le mode de réalisation dans lequel les stabilisateurs 91, 92 forment six couples 93 à 98 d'émetteurs 2, les stabilisateurs 91, 92 sont agencés, en outre, pour former trois paires 93-96, 94-97 et 95- 98 de couples d'émetteurs 2. Chaque paire 93-96, 94-97, 95-98 de couples est agencée de sorte que chaque sous-groupe 931 à 981 d'un couple 93 à 98 d'une paire 93- 96, 94-97, 95-98 de couples considérée soit situé en vis-à-vis d'un sous-groupe 932 à 982 de l'autre couple 93 à 98 de la paire de couples considérée.
Autrement dit, selon le mode de réalisation, pour la paire de couples 93-96, le sous-groupe 931, qui est compris dans le stabilisateur 91, du couple 93 est radiale- ment opposé au sous-groupe 962, qui est compris dans le stabilisateur 92, du couple 96 et le sous-groupe 961, qui est compris dans le stabilisateur 91, du couple 96 est radialement opposé au sous-groupe 932, qui est compris dans le stabilisateur 92, du couple 93. Pour la paire de couples 94-97, le sous-groupe 941, qui est compris dans le stabilisateur 91, du couple 94 est radialement opposé au sous-groupe 972, qui est compris dans le stabilisateur 92, du couple 97 et le sous-groupe 971, qui est compris dans le stabilisateur 91, du couple 97 est radialement opposé au sous-groupe 942, qui est compris dans le stabilisateur 92, du couple 94. Pour la paire de couples 95- 98, le sous-groupe 951, qui est compris dans le stabilisateur 91, du couple 95 est radialement opposé au sous-groupe 982, qui est compris dans le stabilisateur 92, du couple 98 et le sous-groupe 981, qui est compris dans le stabilisateur 91, du couple 98 est radialement opposé au sous-groupe 952, qui est compris dans le stabilisateur 92, du couple 95.
L'agencement des couples 93 à 98 permet de stabiliser latéralement, c'est-à- dire perpendiculairement à l'axe de révolution, et de manière contrôlée, l'objet en lévitation en agissant sur l'objet en lévitation selon plusieurs directions latérales indépendamment. Il est à noter que cet effet est rendu possible du fait de l'absence de couplage entre les ondes acoustiques émises par les émetteurs 2 des calottes 81, 82 et les ondes acoustiques émises par les émetteurs 2 des stabilisateurs 91, 92.
Autrement dit, en considérant à titre d'exemple la paire 93-96 de couples 93, 96 d'émetteurs 2 dont les sous-groupes 931 et 932 de la paire 93 sont chacun radia- lement opposés, respectivement, au sous-groupe 962 et 961. La paire 93-96 de couples 93, 96, considérés indépendamment des autres paires 94-97, 95-98 de couples 94, 95, 96, 97, 98, permet de stabiliser latéralement l'objet en lévitation en agissant sur l'objet en lévitation selon la première direction latérale comprise dans le plan des FIGURE 1, 2a, 2b et 2c, comprenant le centre 3 du dispositif 1, perpendiculaire à l'axe de révolution 8 et comprise dans le plan médian 7. Aussi, l'utilisation de la paire 93-96 de couples 93 et 96, permet de stabiliser latéralement l'objet en lévitation en agissant sur l'objet en lévitation selon la première direction latérale. La description faite au présent paragraphe est transposable aux autres paires 94-97 et 95-98 de couples 94, 95, 96, 97, 98 d'émetteurs 2 et aux directions latérales de stabilisation respectives.
De manière avantageuse, l'utilisation de la paire 93-96 de couples d'émetteurs 2, considérés indépendamment des autres paires 94-97, 95-98 de couples, permet d'améliorer encore davantage la stabilisation latérale de l'objet en lévitation en agissant sur l'objet en lévitation selon la première direction latérale. Dans ce cas, de manière préférée, une phase des ondes acoustiques émises par les émetteurs 2 des sous-groupes 931 et 932 du couple 93 est identique et une phase des acoustiques émises par les émetteurs 2 des sous-groupes 961 et 962 du couple 96 est identique. La description faite au présent paragraphe est transposable aux autres paires 94-97, 95-98 de couples d'émetteurs 2 et aux directions latérales de stabilisation respectives. Aussi, dans un mode de réalisation privilégié, une phase des ondes acoustiques émises par les émetteurs 2 des deux sous-groupes 931-932, 941-942, 951-952, 961- 962, 971-972 et 981-982 de chacun des couples 93 est identique.
Les inventeurs ont observé, de manière contre-intuitive, que la commande individualisée des émetteurs ne permet pas d'obtenir une stabilisation latérale optimale de l'échantillon en lévitation. Il a été observé, de manière étonnante, que la stabilisation latérale est améliorée en régionalisant le contrôle des ondes acoustiques émises par sous-groupes d'émetteurs 931-932, 941-942, 951-952, 961-962, 971- 972 et 981-982 au sein de chacun des couples 93-98. L'agencement des couples 93, 94, 95, 96, 97, 98 permet, en outre, de translater latéralement l'objet destiné à léviter. Pour ce faire, et pour une paire de couples considérée, et donc pour une translation selon la direction latérale de stabilisation associée à la paire de couples considérée, il convient d'introduire un décalage entre la phase de l'onde acoustique émise par un sous-groupe 931, 941, 951, 961, 971 et 981 des deux sous-groupes 931-962, 941-972, 951-982, 961-932, 971-942 et 981- 952 radialement opposés de chacune des paires 93-96, 94-97, 95-98 de couples d'émetteurs 2 et l'autre 962, 972, 982, 932, 942 et 952 des deux sous-groupes 931- 962, 941-972, 951-982, 961-932, 971-942 et 981-952 radialement opposés de chacune des paires 93-96, 94-97, 95-98 de couples d'émetteurs 2. Autrement dit, à titre d'exemple, pour translater l'objet, de manière contrôlée selon la première direction latérale, il est introduit un décalage, au sein de la paire 93-96 de couples, entre la phase de l'onde acoustique émise par le sous-groupe 931 d'émetteurs 2 et le sous- groupe 962 d'émetteurs 2 et/ou d'introduire un décalage, entre la phase de l'onde acoustique émise par le sous-groupe 961 d'émetteurs 2 et le sous-groupe 932 d'émetteurs 2. Pour translater latéralement l'objet destiné à léviter, il est avantageux d'introduire un décalage de phase, de préférence identique, entre les ondes acoustiques émises par chacun des quatre sous-groupes 931-962/932-961, 941-972/942- 971 et 951-982/952-981 d'émetteurs 2 des deux couples 93 et 96, 94 et 97, 95 et 98, de chaque paires 93-96, 94-97, 95-98 de couples. Dans ce cas, de manière avantageuse, une phase des ondes acoustiques émises par les émetteurs 2 d'un même couple 93, 96, 94, 97, 95 et 98 d'émetteurs sont identiques et en opposition de phase avec la phase des ondes acoustiques émises par l'autre couple 96, 93, 97, 94, 98 de la paire 93-96, 94-97 et 95-98 de couples. Ainsi, le dispositif de lévitation acoustique 1 selon le mode de réalisation permet de manipuler un objet sans contact direct avec l'objet.
La lévitation d'objet sous l'effet d'ondes acoustiques engendre la rotation de l'objet à léviter du fait du changement de moment angulaire des ondes lorsqu'elles sont réfléchies et diffusées par l'échantillon. Pour pallier cette rotation, et en considérant le couple 93 d'émetteurs 2, la phase des ondes acoustiques émises par les sous-groupes 931, 932 d'émetteurs 2 diffère de la phase des ondes acoustiques émises par au moins un autre sous-groupe 941, 942, 951, 952, 961, 962, 971, 972, 981, 982 d'émetteurs 2 d'au moins un autre des couples 94, 95, 96, 97, 98. De préférence, pour contrer la rotation de l'objet, la phase des ondes acoustiques émises par les paires 93 et 96 de couples est identique et diffère de la phase des ondes acoustiques émises par au moins un des deux autres des couples 94-97 et 95-98. Selon le mode de réalisation non limitatif, de manière particulièrement avantageuse, chaque couple 93, 94 et 95 d'une paire de couples 93-96, 94,-97 et 95-98 émet une onde acoustique en opposition de phase avec l'autre des couples 96, 97 et 98 de la paire de couples considérée. Cette caractéristique permet également de stabiliser latéralement, c'est-à-dire perpendiculairement à l'axe de révolution, encore davantage l'objet en contrant les instabilités et perturbations inhérentes au processus de mise en lévitation par ondes acoustiques d'un objet destiné à léviter. En effet, en présence de gaz chauds dans le dispositif de lévitation, et lorsque ces derniers ne sont pas évacués hors du dispositif de lévitation, il se produit des recirculations de gaz qui perturbent les ultrasons à l'échelle du dispositif de lévitation tout entier. Un tel dispositif de lévitation 1 permet donc de manipuler totalement un objet sans contact direct avec l'objet. Il est ainsi possible de positionner l'objet, c'est-à-dire de l'orienter, de le pivoter et/ou de le translater, pour permettre son observation et/ou son analyse et/ou de le soumettre à un traitement local sans recourir à une interaction directe avec ce dernier.
De manière encore plus avantageuse, pour pallier la rotation de l'objet à léviter, il convient que la phase de l'onde acoustique émise par au moins un couple 93, 94, 95, 96, 97, 98 d'émetteurs 2 considéré soit supérieure ou inférieure à la phase de l'onde acoustique émise par un couple 93, 94, 95, 96, 97, 98 d'émetteurs 2 qui est adjacent, par rotation relativement à l'axe de révolution 5, au couple d'émetteurs considéré. De préférence encore, mais pas nécessairement, les deux couples 93-96, 94,-97 et 95-98 d'une paire de couples émettent des ondes acoustiques en opposition de phase et chacune des paires 93-96, 94,-97 et 95-98 de couples d'émetteurs 2 émet une onde acoustique dont la phase est supérieure ou inférieure à la phase de l'onde acoustique émise par la paire de couples d'émetteurs 2 qui lui est adjacente, par rotation selon le sens horaire ou antihoraire relativement à l'axe de révolution 5.
En outre, de manière complémentaire, introduire une différence de phase entre l'onde acoustique émise par au moins un couple 93, 94, 95, 96, 97, 98 d'émetteurs 2 et les autres couples d'émetteurs permet de mettre en rotation un objet destiné à léviter en faisant varier de manière dynamique, par rotation contrôlée, la différence de phase des ondes acoustiques émises d'un couple à un couple adjacent, par rotation relativement à l'axe de révolution 5. Autrement dit, et à titre d'exemple non limitatif, la valeur de la phase de l'onde acoustique émise par les couples 931 et 932 à l'instant t devient la valeur de la phase de l'onde acoustique émise par les couples 941 et 942 à l'instant t+At, la valeur de la phase de l'onde acoustique émise par les couples 941 et 942 à l'instant t devient la valeur de la phase de l'onde acoustique émise par les couples 951 et 952 à l'instant t+At, la valeur de la phase de l'onde acoustique émise par les couples 951 et 952 à l'instant t devient la valeur de la phase de l'onde acoustique émise par les couples 961 et 962 à l'instant t+At, la valeur de la phase de l'onde acoustique émise par les couples 961 et 962 à l'instant t devient la valeur de la phase de l'onde acoustique émise par les couples 971 et 972 à l'instant t+At, la valeur de la phase de l'onde acoustique émise par les couples 971 et 972 à l'instant t devient la valeur de la phase de l'onde acoustique émise par les couples 981 et 982 à l'instant t+At et la valeur de la phase de l'onde acoustique émise par les couples 981 et 982 à l'instant t devient la valeur de la phase de l'onde acoustique émise par les couples 931 et 932 à l'instant t+At. De préférence, mais pas nécessairement, les deux couples 93-96, 94,-97 et 95-98 d'une paire de couples émettent des ondes acoustiques en opposition de phase et la valeur de la phase de l'onde acoustique émise par la paire de couples 93-96 à l'instant t devient la valeur de la phase de l'onde acoustique émise par la paire de couples 94-97 à l'instant t+At, la valeur de la phase de l'onde acoustique émise par la paire de couples 94-97 à l'instant t devient la valeur de la phase de l'onde acoustique émise par la paire de couples 95- 98 à l'instant t+At et la valeur de la phase de l'onde acoustique émise par la paire de couples 95-98 à l'instant t devient la valeur de la phase de l'onde acoustique émise par la paire de couples 93-96 à l'instant t+At. En outre, la valeur des phases des ondes acoustiques émises par chacun des couples 93, 94, 95, 96, 97 et 98 peut également varier et/ou être modulée durant la rotation contrôlée de la phase des ondes acoustiques. La vitesse de rotation angulaire de la phase des ondes acoustiques peut également varier et/ou être modulée durant cette rotation contrôlée.
En outre, pour améliorer l'effet consistant à pallier la rotation de l'objet à lévi- ter et/ou à mettre en rotation un objet destiné à léviter, il est avantageux, de préférence en combinant l'agencement des couples 93, 94, 95, 96, 97, 98 d'émetteurs 2 et/ou l'agencement des paires de couples 93-96, 94,-97 et 95-98 d'émetteurs 2 tel que décrit ci-dessus, que la phase de l'onde acoustique émise par au moins un couple 93, 94, 95, 96, 97, 98 d'émetteurs 2 considéré augmente ou diminue par incrémentation successive d'un couple 93, 94, 95, 96, 97, 98 d'émetteurs 2 considéré à un couple d'émetteurs 2 qui lui est adjacent par rotation relativement à l'axe de révolution 5. De préférence encore, mais pas nécessairement, les couples 93-96, 94,-97 et 95-98 d'une paire de couples émettent des ondes acoustiques en opposition de phase et la phase de l'onde acoustique émise par chacune des paires 93-96, 94,-97 et 95- 98 de couples d'émetteurs 2 augmente ou diminue par incrémentation successive d'une paire 93-96, 94,-97 et 95-98 de couples d'émetteurs 2 à une paire de couple 93-96, 94,-97 et 95-98 d'émetteurs 2 adjacente par rotation relativement à l'axe de révolution 5.
Les FIGURES 3a, 3b et 3c illustrent des images des ondes acoustiques générées par le stabilisateur 91, 92 prises dans le plan perpendiculaire au plan médian 7 et qui comprend l'axe de révolution 5. Sur l'axe des abscisses et sur l'axe des ordonnées est reportée la distance en mètres. Les ondes acoustiques émises par les émetteurs 2 des calottes 81, 82 et les ondes acoustiques émises par les émetteurs 2 des stabilisateurs 91, 92 sont obtenues avec une intensité d'émission de référence. Sur la FIGURE 3a est présenté une image des ondes acoustiques générées par les calottes 81, 82 du dispositif de lévitation acoustique 1 selon le mode de réalisation. Sur la FIGURE 3b est présentée une image des ondes acoustiques générées par les stabilisateurs 91, 92 du dispositif de lévitation acoustique 1 selon le mode de réalisation. Sur la FIGURE 3c est présenté une image des ondes acoustiques générées simultanément par les calottes 81, 82 et les stabilisateurs 91, 92 du dispositif de lévitation acoustique lselon le mode de réalisation.
En référence à la FIGURE 4 est illustré l'effet lié à l'utilisation des couples d'émetteurs 2 pour chaque stabilisateur 91, 92. Selon le mode de réalisation non limitatif du dispositif de lévitation 1, l'effet de l'utilisation de six couples 93, 94, 95, 96, 97, 98 d'émetteurs 2, c'est-à-dire six sous-groupes 931, 941, 951, 961, 971, 981 d'émetteurs 2 pour le stabilisateur 91 et de six sous-groupes d'émetteurs 932, 942, 952, 962, 972, 982 pour le stabilisateur 92 est présenté. Chaque paire 93-96, 94-97 et 95-98 de couples émet des ondes acoustiques en opposition de phase. Les images de la FIGURE 4 sont prises dans le plan médian 7. Les ondes acoustiques émises par les émetteurs 2 des calottes 81, 82 et les ondes acoustiques émises par les émetteurs 2 des stabilisateurs 91, 92 sont obtenues avec une intensité d'émission de référence. Sur l'axe des abscisses et sur l'axe des ordonnées est reportée la distance en mètres.
Sur la FIGURE 4 est illustré le cas où est introduit un décalage de phase de l'onde acoustique entre les couples adjacents 93, 94 et 95 d'émetteurs 2 voisins d'une valeur de n (image 4a), d'une valeur de n/3 (image 4b) et d'une valeur de 0 (image 4c). Pour ces trois cas, les couples 96, 97 et 98 sont en opposition de phase respectivement avec les couples 93, 94 et 95.
Autrement dit, pour l'image du centre de la FIGURE 4 (image 4b), la phase de l'onde acoustique émise par les sous-groupes 931, 932, 961 et 962 est supérieure, ou respectivement inférieure, d'une valeur de n/6 à la phase de l'onde acoustique émise par les sous-groupes 941, 942, 971 et 972, la phase de l'onde acoustique émise par les sous-groupes 941, 942, 971 et 972 est supérieure, ou respectivement inférieure, d'une valeur de n/3 à la phase de l'onde acoustique émise par les sous- groupes 951, 952, 981 et 982 et la phase de l'onde acoustique émise par les sous- groupes 951, 952, 981 et 982 est supérieure, ou respectivement inférieure, d'une valeur de n/3 à la phase de l'onde acoustique émise par les sous-groupes 931, 932, 961 et 962. Ce mode de réalisation engendre la création d'une barrière de potentiel 11 confinant totalement l'échantillon au centre 3 du dispositif de lévitation 1. Ce mode de réalisation est particulièrement adapté au cas où l'échantillon doit être complètement confiné dans au centre 3 du dispositif de lévitation 1.
Sur l'image de gauche de la FIGURE 4 (image 4a) est illustré le cas où est introduit un décalage de phase de l'onde acoustique de n entre paires 93-96, 94,-97 et 95-98 de couples d'émetteurs 2 voisins. Ce mode de réalisation engendre la création de canaux d'écoulements 12 de faibles dimensions, de largeur de l'ordre de 1 à 2 mm. La taille des canaux d'écoulements 12 est suffisante pour que des gaz puissent s'écouler hors du centre 3 mais suffisamment faibles pour que ne pas impacter la stabilisation de l'objet en lévitation. Ce mode de réalisation est particulièrement adapté, entre autres, au cas où des gaz chauds sont présents ou générés, par exemple par chauffage, au niveau du centre 3 du dispositif de lévitation 1 et donc au niveau de l'échantillon en lévitation.
En particulier, l'ouverture annulaire 10 a pour effet d'assurer l'évacuation des gaz, en particulier des gaz s'écoulant par les canaux d'écoulement 12, hors du dispositif de lévitation 1. En outre, même en présence de ces canaux d'écoulement 12, il a été observé que la configuration du champ acoustique obtenu tel qu'illustré sur l'image 4c de la FIGURE 4, permet de conserver une force de rappel de l'échantillon dans la zone de lévitation de manière quasi isotrope dans le plan horizontal et donc d'obtenir une bonne stabilisation horizontale de l'échantillon.
Sur l'image de droite de la FIGURE 4 (image 4c) est illustré le cas où aucun décalage de phase n'est introduit entre paires 93-96, 94,-97 et 95-98 de couples d'émetteurs 2 voisins. Ce mode de réalisation engendre la création de deux murs 13 de potentiels en vis-à-vis. La configuration des couples 93, 94, 95, 96, 97 et 98 et des paires 93-96, 94,-97 et 95-98 de couples d'émetteurs 2 selon l'invention permet de contrôler et de moduler l'orientation et la disposition de ces murs 13.
Les résultats de la FIGURE 4 sont uniquement trois exemples non limitatifs et un large choix de valeurs de décalage de phase de l'onde acoustique couples 93, 94, 95, 96, 97, 98 d'émetteurs 2 voisins ou entre paires 93-96, 94,-97 et 95-98 de couples d'émetteurs 2 voisins est possible. Ainsi, de nombreuses configurations du champ acoustique sont disponibles en fonction de l'application visée.
Par comparaison des images 4a et 4b avec la FIGURE 4, l'homme du métier déduira de manière univoque que l'émission par au moins deux couples 93, 94, 95, 96, 97, 98, de préférence par chaque couple 93, 94, 95, 96, 97, 98, d'une onde acoustique présentant une phase qui augmente ou diminue, en particulier par incrémentation successive continue, d'un couple d'émetteurs donné à un couple d'émetteurs voisin ou adjacent, par rotation par rapport à l'axe de révolution 5, permet l'obtention de champ(s) de pression acoustique modulable(s) permettant de confiner l'objet en lévitation. En effet, sur l'image 4c de la FIGURE 4, l'homme du métier observe la présence de deux murs 13 de potentiels en vis-à-vis et une zone de stabilité moindre le long de l'axe qui est parallèle et s'étend entre ces deux murs 13. Au contraire, sur l'image 4a de la FIGURE 4, l'homme du métier observe la présence de six ondes acoustique stationnaires discrètes ou ponctuelles de pression intense ayant pour effet de procurer des canaux d'écoulements 12 de taille suffisante pour que des gaz puissent s'écouler hors du centre 3 mais suffisamment faible pour ne pas impac- ter la stabilisation de l'objet en lévitation. De même sur l'image 4b de la FIGURE 4, l'homme du métier observe la création d'une barrière de potentiel 11 formant une enveloppe continue de forte intensité confinant totalement l'échantillon.
En référence à la FIGURE 4, l'homme du métier déduira de manière univoque que l'émission par au moins une partie des couples 93, 94, 95, 96, 97, 98, de préférence par chaque couple 93, 94, 95, 96, 97, 98, d'une onde acoustique présentant une phase qui augmente ou diminue, en particulier par incrémentation successive continue, d'un couple d'émetteurs donné à un couple d'émetteurs voisin ou adjacent 93, 94, 95, 96, 97, 98, par rotation par rapport à l'axe de révolution 5, permet d'obtenir une force de rappel s'exerçant sur l'échantillon qui est omnidirectionnelle (tel qu'illustré sur les images 4a et 4b de la FIGURE 4) en non une force de rappel unidirectionnelle d'orientation ajustable (tel qu'illustré sur l'image 4c de la FIGURE 4).
En référence à la FIGURE 4, l'homme du métier déduira de manière univoque que l'émission par au moins une partie des couples 93, 94, 95, 96, 97, 98, de préférence par chaque couple 93, 94, 95, 96, 97, 98, d'une onde acoustique présentant une phase qui augmente ou diminue, en particulier par incrémentation successive continue, d'un couple d'émetteurs donné à un couple d'émetteurs voisin ou adjacent 93, 94, 95, 96, 97, 98, par rotation par rapport à l'axe de révolution 5, permet de s'adapter aux besoins expérimentaux. Par exemple, dans le cas d'une température de travail ambiante ou peu élevée, l'homme du métier pourra opter pour l'obtention d'un champ acoustique tel qu'illustré sur l'image 4b de la FIGURE 4 ou de tout champ acoustique équivalent que le dispositif de lévitation 1 selon l'invention permet d'obtenir. Au contraire, dans le cas
Aussi, en référence à la FIGURE 4, l'homme du métier déduira de manière univoque que l'émission par au moins une partie des couples 93, 94, 95, 96, 97, 98, de préférence par chaque couple 93, 94, 95, 96, 97, 98, d'une onde acoustique présentant une phase qui augmente ou diminue, en particulier par incrémentation successive continue, d'un couple d'émetteurs donné à un couple d'émetteurs voisin ou adjacent 93, 94, 95, 96, 97, 98, par rotation par rapport à l'axe de révolution 5, permet de générer des champs acoustiques à géométrie modulable ayant pour effet d'améliorer la stabilisation horizontale de l'échantillon.
De manière équivalente, en référence à la FIGURE 4, l'homme du métier déduira de manière univoque que l'émission par au moins une partie des couples 93, 94, 95, 96, 97, 98, de préférence par chaque couple 93, 94, 95, 96, 97, 98, d'une onde acoustique présentant une phase supérieure ou inférieure à la phase de l'onde acoustique émise par un couple d'émetteurs voisin ou adjacent 93, 94, 95, 96, 97, 98, par rotation par rapport à l'axe de révolution 5, permet de générer également des champs acoustiques à géométrie modulable ayant pour effet d'améliorer la stabilisation horizontale de l'échantillon.
En référence à la FIGURE 5, il est illustré des images acquises durant la fusion d'une bille d'acier 100Cr6 d'un diamètre de 2,38 mm qui est mise en lévitation par le dispositif de lévitation acoustique 1 selon l'invention. La fusion est réalisée au moyen d'un laser de modèle DLR-200-AC vendu par la société IPG. La longueur d'onde émise est de 970 nm et la puissance maximale du laser est de 200W. La bille d'acier 14 est mise en lévitation puis irradiée par le faisceau laser de sorte à provoquer la fusion. La bille d'acier est maintenue en lévitation durant l'ensemble de l'expérimentation.
Les images de droite de la FIGURE 5 montrent des photos de la bille d'acier 14 en cours de fusion et en lévitation dans le dispositif de lévitation acoustique 1 sans contribution des stabilisateurs 91, 92, c'est-à-dire sans que les stabilisateurs 91, 92 n'émettent d'ondes acoustiques. Les images de gauche de la FIGURE 5 montrent des photos de la bille d'acier 14 en cours de fusion et en lévitation dans le dispositif de lévitation acoustique 1 avec contribution des stabilisateurs 91, 92, c'est-à-dire lors- que les stabilisateurs 91, 92 émettent des ondes acoustiques. Dans ce cas, un décalage de phase de l'onde acoustique de n/2 entre paires 93-96, 94,-97 et 95-98 de couples d'émetteurs 2 voisins est appliqué. Les images du haut de la FIGURE 5 correspondent au décalage latéral maximum de la bille d'acier 14 observé selon la direction x et les images du bas de la FIGURE 5 correspondent au décalage latéral maximum de la bille d'acier 14 observé selon la direction y. Les images de gauche de la FIGURE 5 ont été obtenues avec une tension de 12 Volts appliquée aux émetteurs 2 des stabilisateurs 91, 92.
La distance B séparant les déplacements latéraux maximum de la bille d'acier 14 observés sans contribution des stabilisateurs 91, 92 est de 128 pixels, ce qui correspond approximativement à un mouvement latéral de 2,6 mm. La distance C séparant les déplacements latéraux maximum de la bille d'acier 14 observés avec contribution des stabilisateurs 91, 92 et pour une tension appliquée aux émetteurs 2 de 12 Volts est 56 pixels, ce qui correspond approximativement à un mouvement latéral de 1,2 mm. Il est donc possible d'obtenir un gain minimum de stabilisation latérale de 2,3 avec le dispositif de lévitation 1 selon le mode de réalisation.
Selon un mode de réalisation de l'invention, il est proposé de moduler l'intensité des ondes acoustiques émises par au moins un des sous-groupe 941, 942, 951, 952, 961, 962, 971, 972, 981, 982 d'émetteurs 2 relativement à un autre sous- groupe d'émetteurs pour augmenter le contrôle latéral de la stabilisation de l'échantillon et/ou pour déplacer latéralement l'échantillon.
La puissance requise pour la stabilisation latérale par les sous-groupes 931, 932, 941, 942, 951, 952, 961, 962, 971, 972, 981, 982 étant inférieure à l'intensité requise par les émetteurs 2 des calottes 81, 82 pour contrer la gravité, l'excédent de puissance disponible, qui est notablement augmenté par l'agencement des stabilisateurs 91, 92 procurant une stabilisation latérale omnidirectionnelle, peut être réparti, entre les sous-groupe 941, 942, 951, 952, 961, 962, 971, 972, 981, 982 d'émetteurs 2 des stabilisateurs 91, 92 pour améliorer le contrôle de la stabilisation latérale.
De préférence, le procédé de lévitation acoustique selon l'invention comprend l'étape consistant à délivrer un signal d'alimentation sinusoïdal, centré sur, ou délivrant à, la fréquence de résonnance des émetteurs 2. En effet, l'alimentation des émetteurs des dispositifs de l'état de l'art est assurée par des ondes carrées. Ces ondes carrées ne correspondent pas précisément à la fréquence de résonnance des émetteurs et impliquent une dissipation thermique du fait de la conversion partielle de la puissance injectée. La dissipation thermique induit une diminution du rendement de conversion de la puissance fournie. Cet dissipation thermique conduit également à un échauffement des émetteurs et, par conséquent, à un décalage de la fréquence de résonnance des émetteurs acoustiques. Ce décalage de la fréquence de résonnance induit une diminution supplémentaire du rendement qui s'additionne au précédent.
Ainsi, l'alimentation des émetteurs 2 par un signal sinusoïdal permet d'éviter les dissipations thermiques et, par conséquent, le décalage de la fréquence de résonnance des émetteurs 2, et contribue à l'amélioration de la stabilisation de l'échantillon procurée par le dispositif de lévitation 1 selon l'invention.
En outre, l'alimentation des émetteurs 2 par un signal sinusoïdal permet également d'augmenter la durée de maintien en lévitation des échantillons denses, par exemples les métaux, à hautes températures. En effet, ces conditions expérimentales requièrent que les émetteurs 2 fonctionnent à une puissance plus élevée (typiquement une puissance supérieure de 30% de la puissance nominale) pour compenser les instabilités supplémentaires. En outre, l'alimentation des émetteurs 2 par un signal sinusoïdal permet également de limiter l'usure (ou augmenter la durée de vie) des émetteurs 2.
Selon un mode de réalisation de l'invention, les émetteurs 2 du dispositif 1 selon l'invention sont destinés à être alimenté par un amplificateur opérationnel, noté AOP, de puissance. De préférence le dispositif 1 comprend un AOP agencé pour alimenter les émetteurs 2. L'AOP est agencé pour délivrer une onde sinusoïdale. Avantageusement, l'AOP est agencé pour fonctionner en mode linéaire. L'AOP est destiné à être alimenté, et il est avantageusement alimenté, par une alimentation électrique symétrique. L'alimentation électrique symétrique fonctionne en mode continu. L'alimentation électrique symétrique fournit deux sorties de tension opposée ainsi qu'une sortie de masse commune à potentiel nul. En pratique, à titre d'exemple de mode de réalisation non limitatif, la sortie de l'AOP est commandée par un signal de faible puissance issu d'un générateur basse fréquence (GBF). Ce signal a une forme sinusoïdale, contrôlée en fréquence et amplitude. Les entrées de puissance de l'AOP sont connectées aux sorties de l'alimentation électrique symétrique.
Selon un mode de réalisation de l'invention, les émetteurs 2 du dispositif 1 selon l'invention sont destinés à être alimenté par un dispositif d'alimentation, dit modulable, comprenant un circuit électronique à transistors en pont en H couplés à un ou des circuits RLC, agissant comme filtres électroniques. Le/les circuits RLC sont agencés pour convertir le signal carré délivré par le circuit électronique en pont en H en un signal sinusoïdal de puissance. De préférence, le dispositif 1 comprend le dispositif d'alimentation modulable.
Ce mode de réalisation procure, en outre, un meilleur contrôle des formes d'ondes délivrées en sortie du dispositif d'alimentation, par exemple par pilotage de la commande des ponts en H, par exemple au moyen d'un microcontrôleur.
De préférence, l'AOP alimente les émetteurs 2 du dispositif 1 avec, ou délivre, un signal d'alimentation sinusoïdal, centré sur, ou délivrant à, la fréquence de résonnance des émetteurs 2. Ce mode de réalisation permet d'éviter les pertes et échauf- fements induits par les structures électroniques en pont en H à transistors délivrant un signal carré.
L'utilisation de l'AOP selon le mode de réalisation permet, en outre, de limiter l'usure des émetteurs 2 du dispositif 1 selon l'invention en limitant l'usure des émetteurs 2 (ou augmenter la durée de vie) induite par réchauffement et les sollicitations mécaniques hors de la gamme de fonctionnement des émetteurs 2.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention, en particulier par le biais de variantes combinables entre elles des modes de réalisation précédemment décrits.
De plus, les différentes caractéristiques, formes, variantes et modes de réalisation de l'invention peuvent être associés les uns avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où ils ne sont pas incompatibles ou exclusifs les uns des autres.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de lévitation acoustique (1) comprenant un ensemble d'émetteurs à ultra-sons (2), dits émetteurs, agencés pour émettre, chacun, une onde acoustique focalisée en un centre (3) du dispositif acoustique, l'ensemble d'émetteurs est agencé pour obtenir des ondes acoustiques stationnaires dont une intensité est maximale au centre du dispositif de lévitation, le dispositif de lévitation comprend deux coupoles (41, 42) en vis-à-vis ; chaque coupole comprend :
- un premier groupe d'émetteurs à ultra-sons (411, 421), dits émetteurs, formant une calotte (81, 82) s'étendant entre un pôle (61, 62) et un stabilisateur (91, 92),
- un second groupe d'émetteurs à ultra-sons (412, 422), dits émetteurs, formant le stabilisateur et s'étendant depuis la calotte en direction d'un plan (7) du dispositif, dit plan médian, qui est perpendiculaire à un axe (5) reliant le pôle de chacune des coupoles, dit axe de révolution, et qui est situé à équidistance des deux pôles ; les stabilisateurs sont agencés pour former au moins deux couples (93, 94, 95, 96, 97, 98) d'émetteurs comprenant, chacun, deux sous-groupes (931, 932, 941, 942, 951, 952, 961, 962, 971, 972, 981, 982) d'émetteurs situés de part et d'autre du plan médian, un sous-groupe d'émetteurs d'un couple appartenant au stabilisateur d'une coupole est en vis-à-vis de l'autre sous-groupe d'émetteurs du couple appartenant au stabilisateur de l'autre coupole ; chaque sous-groupe d'émetteurs comprend au moins un émetteur, les émetteurs de la calotte de chacune des coupoles sont agencés pour émettre une onde acoustique présentant une première fréquence fi et les émetteurs du stabilisateur de chacune des coupoles sont agencés pour émettre une onde acoustique présentant une fréquence f2 différente de fi, les deux sous-groupes d'émetteurs d'un couple d'émetteurs sont agencés pour émettre des ondes acoustiques dont une phase diffère d'une phase des ondes acoustiques émises par les deux sous-groupes d'émetteurs d'au moins un autre des couples.
2. Dispositif de lévitation (1) selon la revendication 1, comprenant au moins une paire (93-96, 94-97, 95-98) de couples (93, 94, 95, 96, 97, 98) d'émetteurs (2), chaque paire de couples est agencée de sorte que chaque sous-groupe (931, 932, 941, 942, 951, 952, 961, 962, 971, 972, 981, 982) d'un couple d'une paire de couples considérée soit radialement opposé à un sous-groupe de l'autre couple de la paire de couples considérée.
3. Dispositif de lévitation (1) selon la revendication précédente, dans lequel l'unité de commande est agencée pour qu'une phase des ondes acoustiques émises par les deux couples (93, 94, 95, 96, 97, 98) d'une paire (93-96, 94-97, 95-98) de couples soit identique ou différente, de préférence en opposition de phase.
4. Dispositif de lévitation (1) selon la revendication 2 ou 3, et dans lequel l'unité de commande est agencée pour que la phase des ondes acoustiques émises par une paire (93-96, 94-97, 95-98) de couples (93, 94, 95, 96, 97, 98) soit identique, et diffère de la phase des ondes acoustiques émises par au moins un autre des couples.
5. Dispositif de lévitation (1) selon l'une quelconques des revendications précédentes, dans lequel une portion de sphère (10) comprenant le plan médian (7) et s'étendant entre le stabilisateur (91, 92) de chacune des coupoles (41, 42) est dépourvue d'émetteur (2), ladite portion de sphère forme une ouverture annulaire offrant un accès au centre (3) du dispositif de lévitation.
6. Dispositif de lévitation (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel :
- le premier groupe (411, 421) d'émetteurs (2) de chaque coupole (41, 42) est agencé pour que les ondes acoustiques stationnaires générées mettent en lévitation un objet destiné à léviter au centre (3) du dispositif de lévitation,
- le second groupe (412, 422) d'émetteurs de chaque coupole est agencé pour que les ondes acoustiques stationnaires générées stabilisent latéralement l'objet destiné à léviter.
7. Dispositif de lévitation (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'unité de commande est agencée pour que la phase de l'onde acoustique émise par un couple (93, 94, 95, 96, 97, 98) d'émetteurs (2) donné soit supérieure ou inférieure à la phase de l'onde acoustique émise par un couple d'émetteurs adjacent, par rotation par rapport à l'axe de révolution (5), au couple d'émetteurs donné.
8. Dispositif de lévitation (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'unité de commande est agencée pour que la phase de l'onde acoustique émise par chaque couple (93, 94, 95, 96, 97, 98) d'émetteurs (2) soit supérieure ou inférieure à la phase de l'onde acoustique émise par un couple d'émetteurs adjacent, par rotation par rapport à l'axe de révolution (5), au couple d'émetteurs donné
9. Dispositif de lévitation (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'unité de commande est agencée pour que la phase de l'onde acoustique émise par les au moins deux couples (93, 94, 95, 96, 97, 98) d'émetteurs (2) augmente ou diminue, par incrémentation successive, d'un couple d'émetteurs donné à un couple d'émetteurs adjacent, par rotation par rapport à l'axe de révolution (5), au couple d'émetteurs donné.
10. Dispositif de lévitation (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'unité de commande est agencée pour que la phase de l'onde acoustique émise par chaque couple (93, 94, 95, 96, 97, 98) d'émetteurs (2) augmente ou diminue, par incrémentation successive, d'un couple d'émetteurs donné à un couple d'émetteurs adjacent, par rotation par rapport à l'axe de révolution (5), au couple d'émetteurs donné.
11. Dispositif de lévitation (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la fréquence fi est supérieure ou inférieure à la fréquence f2 d'au moins 20%.
12. Procédé de lévitation acoustique comprenant les étapes consistant à :
- émettre des ondes acoustiques présentant une première fréquence fi, les ondes acoustiques de fréquence fi sont émises par un premier groupe (411, 421) d'émetteurs à ultra-sons (2) formant une calotte (81, 82) s'étendant entre un pôle (61, 62) et un stabilisateur (91, 92) de chacune de deux coupoles, disposées en vis-à-vis l'une de l'autre, d'un dispositif de lévitation acoustique (1), le dispositif de lévitation acoustique comprend un ensemble d'émetteurs à ultra-sons, dits émetteurs, agencés pour émettre une onde acoustique focalisée en un centre (3) du dispositif acoustique, l'ensemble d'émetteurs est agencé pour obtenir des ondes acoustiques stationnaires dont une intensité est maximale au centre du dispositif de lévitation,
- émettre des ondes acoustiques présentant une deuxième fréquence f2 différente de fi, les ondes acoustiques de fréquence f2 sont émises par un second groupe (412, 422) d'émetteurs à ultra-sons formant le stabilisateur de chacune des deux coupoles et s'étendant depuis la calotte en direction d'un plan (7) du dispositif, dit plan médian, qui est perpendiculaire à un axe (5) reliant le pôle de chacune des coupoles et qui est situé à équidistance des deux pôles ; les stabilisateurs forment au moins deux couples (93, 94, 95, 96, 97, 98) d'émetteurs comprenant, chacun, deux sous-groupes (931, 932, 941, 942, 951, 952, 961, 962, 971, 972, 981, 982) d'émetteurs situés de part et d'autre du plan médian, un sous- groupe d'émetteurs d'un couple appartenant au stabilisateur d'une coupole est en vis-à-vis de l'autre sous-groupe d'émetteurs du couple appartenant au stabilisateur de l'autre coupole, chaque sous-groupe d'émetteur comprend au moins un émetteur, une phase des ondes acoustiques de fréquence f2 émises par un couple d'émetteurs diffère d'une phase des ondes acoustiques émises par au moins un autre couple d'émetteurs.
13. Procédé de lévitation selon la revendication 9, comprenant l'étape consistant à faire varier dans le temps, d'un gradient identique ou proportionnel, la phase de l'onde acoustique émise par chacun des couples (93, 94, 95, 96, 97, 98) d'émetteurs (2) de sorte à empêcher une rotation ou à entrainer une rotation contrôlée ou à empêcher une translation, selon un axe perpendiculaire à l'axe de révolution (5), ou à entrainer une translation contrôlée, selon un axe perpendiculaire à l'axe de révolution, d'un objet destiné à léviter.
14. Procédé de lévitation selon la revendication 9 ou 10, comprenant l'étape consistant à introduire un décalage entre une valeur de la phase de l'onde acoustique émise par un des couples (93, 94, 95, 96, 97, 98) d'émetteurs (2) d'une paire (93-96, 94- 97, 95-98) de couples par rapport à une valeur de la phase de l'onde acoustique émise par l'autre couple de la paire de couples ; chaque paire de couples est agencée de sorte que chaque sous-groupe (931, 932, 941, 942, 951, 952, 961, 962, 971, 972, 981, 982) d'un couple d'une paire de couples considérée soit radialement op- posé à un sous-groupe de l'autre couple de la paire de couples considérée.
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ROTHLISBERGER MARC ET AL: "Kilohertz-Frequency Rotation of Acoustically Levitated Particles", IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS, FERROELECTRICS, AND FREQUENCY CONTROL, vol. 69, no. 4, 4 February 2022 (2022-02-04), USA, pages 1528 - 1534, XP093408066, ISSN: 0885-3010, DOI: 10.1109/tuffc.2022.3149131 *

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