Легкодоступная левитация в ультразвуке

в 13:22, , рубрики: diy или сделай сам, акустическая левитация, Научно-популярное, самоделка, стоячая волна, физика, эксперимент

Легкодоступная левитация в ультразвуке - 1

Привет. 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).

Легкодоступная левитация в ультразвуке - 2

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.

Легкодоступная левитация в ультразвуке - 3

Легкодоступная левитация в ультразвуке - 4

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.

Легкодоступная левитация в ультразвуке - 5

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

Легкодоступная левитация в ультразвуке - 6

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.

Легкодоступная левитация в ультразвуке - 7

Легкодоступная левитация в ультразвуке - 8

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.

Легкодоступная левитация в ультразвуке - 9

Легкодоступная левитация в ультразвуке - 10

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.

Легкодоступная левитация в ультразвуке - 11

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.

Легкодоступная левитация в ультразвуке - 12

Легкодоступная левитация в ультразвуке - 13

Легкодоступная левитация в ультразвуке - 14

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).

Легкодоступная левитация в ультразвуке - 15

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

Автор: nanoslavic

Источник


* - обязательные к заполнению поля


https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/3.4.1/jquery.min.js