Хабрахабр

Легкодоступная левитация в ультразвуке

В этой статье я расскажу о простом устройстве для демонстрации акустической левитации из доступных компонентов. Привет, Хабр. В статье много фотографий и ссылка на видео с экспериментами.
Впрочем, я всего лишь повторил готовое устройство, описанное в этой статье.
Краткая информация по устройству и эксперименты с левитацией показаны в моём видео (эксперименты начинаются с 2:00).

Самым главным элементом этого устройства являются ультразвуковые пьезоизлучатели, которые можно взять из достаточного популярного ультразвукового датчика расстояния (на алиэкспрессе искать по запросу «ultrasonic distance HC-SR04» по цене 70 руб).

Один работает как генератор ультразвука, а второй как приёмник. В этом датчике два одинаковых элемента. Чтобы их выпаять, лучше всего использовать оловоотсос.

Для этого нужно развернуть обжим алюминиевого корпуса с помощью кусачек или плоскогубцев. Далее нужно вынуть сетку, чтобы уменьшить потери при генерации.

Для этого нужно немного подрезать спичку или зубочистку и приклеить к ней сетку суперклеем. Из вынутой сетки можно сразу сделать лопатку для установки частиц в наш «левитатор». Края сетки лучше немного подогнуть.

Предположительно, это сделано для лучшего поглощения ультразвуковой волны. На поверхности пьезоизлучателя, который был приёмником, есть капля желеподобного клея. Эту каплю желательно снять небольшой отвёрткой.

Их нужно спаять параллельно и подключить к схеме, которая выдаёт прямоугольный переменный сигнал с амплитудой 12 В и частотой 40 кГц, или, другими словами, импульсы напряжения от -12 В до +12 В. Далее излучатели собираем без сеток, обжав край корпуса плоскогубцами в нескольких местах.
Теперь у нас есть два ультразвуковых излучателя.

В ней используется драйвер шагового двигателя L239D. Схема ниже взята из оригинальной статьи. Можно купить готовую плату на драйвере L298N (искать по запросу «motor drive board L298N», по цене около 120 рублей). При этом в тексте говорится о драйвере L293D (цифры поменялись), который более распространён. Но проще купить готовую плату с драйвером L298N. Я использовал просто мостовую схему на транзисторах для переключения полярности на моторе и так тоже хорошо работает. Программа для Arduino есть в исходной статье. Также нужно купить плату Arduino Nano, которая создаёт нужную частоту 40 кГц, и источник питания на 12 В (достаточно тока 1 А). В итоге, схема должна выдавать импульсы напряжения ±12 В с частотой 40 кГц.

Я использовал металлический конструктор, в котором нашлась интересная деталь с продольными вырезами под винты. После сборки схемы нужно установить пьезоизлучатели встречно друг на друга, оставляя возможность изменять расстояние между ними. Не помню из какого набора эта деталь, так как давно покупал наборы отечественных и импортных производителей (винты М4, шаг отверстий 10 мм) и сложил их все в одну кучу.

Постепенно уменьшал его по пол миллиметра и проверял, как висят частицы пенопласта. Я подбирал расстояние начиная с 25 мм. В оригинале статьи есть способ поиска оптимального расстояния с помощью осциллографа. Остановился на 22 мм, при этом частицы висели лучше всего. Нужно совместить его по фазе с прямоугольным сигналом генератора. Если один пьезоизлучатель временно отключить от генератора, то он становится приёмником и выдаёт синус.

Для этого нужно приготовить небольшие лёгкие частицы: шарики от пенопласта (также искусственный пенопластовый снег), кусочки салфетки, бумаги и тонкой фольги (поталь), новогодние украшения типа «дождик», крупные блёстки. Когда оптимальное расстояние найдено, можно начинать эксперимент. Частица будет захвачена в один из узлов стоячей волны. С помощью лопатки из сетки нужно их поднести в область между пьезоизлучателями и опустить лопатку. Можно заносить сразу несколько частиц. Эти узлы находятся на расстоянии примерно 4 мм друг от друга. В зависимости от размеров и формы, частицы могут висеть неподвижно, колебаться или крутиться.

Но есть набор для самостоятельной сборки более мощного левитатора из 75 пьезоизлучателей (искать по запросу «Acoustic Levitator», цена около 5000 рублей за несобранную версию). Как ни странно, пока ещё на алиэкспрессе нет этого устройства в готовом собранном виде в красивом корпусе.

Счастливой левитации! Всем спасибо за внимание, надеюсь статья будет полезна.

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть