Легкодоступная левитация в ультразвуке



    Привет, Хабр. В этой статье я расскажу о простом устройстве для демонстрации акустической левитации из доступных компонентов. 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).



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

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





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



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



    Далее излучатели собираем без сеток, обжав край корпуса плоскогубцами в нескольких местах.
    Теперь у нас есть два ультразвуковых излучателя. 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.

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





    После сборки схемы нужно установить пьезоизлучатели встречно друг на друга, оставляя возможность изменять расстояние между ними. Я использовал металлический конструктор, в котором нашлась интересная деталь с продольными вырезами под винты. 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.





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



    Когда оптимальное расстояние найдено, можно начинать эксперимент. 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. С помощью лопатки из сетки нужно их поднести в область между пьезоизлучателями и опустить лопатку. Частица будет захвачена в один из узлов стоячей волны. Эти узлы находятся на расстоянии примерно 4 мм друг от друга. Можно заносить сразу несколько частиц. В зависимости от размеров и формы, частицы могут висеть неподвижно, колебаться или крутиться.







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



    Всем спасибо за внимание, надеюсь статья будет полезна. Счастливой левитации!
    AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

    Подробнее
    Реклама

    Комментарии 9

      +1
      Простите за возможно глупый вопрос, но как такой ультразвук может отразиться на самочувствии, если он будет постоянно включен? (понятно что его не слышно, но тем не менее)
      Как на такое устройство реагируют домашние животные?
        0
        «Damage to human hearing by airborne sound of very high frequency or ultrasonic frequency»
        Prepared by the Institute of Sound and Vibration Research for the Health and Safety Executive.
        www.hse.gov.uk/research/crr_pdf/2001/crr01343.pdf
        Если коротко, то ультразвук в воздухе дожен иметь уровень менее 115 dB, т.е. менее 0.3 Вт/м^2.
        Домашние животные как правило очень не любят мощный ультразвук. На этом принципе работает ультразвуковой свисток — отпугиватель собак, например.
        Возможные последствия от воздействия ультразвука большой интенсивности — деградация слуха, потеря чувствительности.
        Судя по всему, мощность ультразвука излучаемая двумя маломощными пъезоэлементами невысока, так что особо опасаться за свой слух наверно не стоит. Если же поставить 75 таких излучателей, как на примере из статьи — то уже надо бы хорошенько подумать, прежде чем показывать такое своим детям. Особенно опасно разглядывать с 20-30 см и ближе — поток мощности растет обратно пропорционально квадрату расстояния до излучателя.
        +5
        На поверхности пьезоизлучателя, который был приёмником, есть капля желеподобного клея. Предположительно, это сделано для лучшего поглощения ультразвуковой волны.


        Это силиконовый герметик. Он нужен для согласования импеданса сред пьезоизлучатель-воздух, поскольку для газовой среды и твердой керамики нужен набор переходных слоев из аморфного материала. См. например www.akzh.ru/pdf/1974_5_718-725.pdf
        • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
            0
            Да. Они идут через половину длины волны, если ничего не путаю
            0
            Такие «интересные детали» были в ГДР-овских конструкторах «Construction». До сих пор иногда такой использую для макетирования поделок.
              0
              Классная штука, я бы себе собрал такую. И тут сразу возникает пара вопросов:
              Если использовать несколько передатчиков/приёмников — можно ли увеличить расстояние между ними? На последней фотке элементы закреплены в сферу? Как тогда рассчитать её размер?
              0
              Можно попробовать собрать данную схему на CD4011 и драйвере коллекторного двигателя TA7291S. Будет очень дешево и появиться возможность подстроить частоту в резонанс и выходное напряжение для исключения вращений предметов.

              Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

              Самое читаемое