Несмотря на свою практически неслышимость и незримость, ультразвук имеет множество применений в современной жизни. В связи с этим мы и рассмотрим некоторые весьма любопытные его реализации, вдвойне интересные ещё с той точки зрения, что они содержат полный набор исходников проектов, что позволяет любому желающему испытать свои силы в реализации описанного. Итак...
▍ Ультразвуковая левитация
Ультразвуковая левитация представляет собой очень интересный вопрос, так как позволяет реализовывать на своей основе не только способ левитации лёгких небольших предметов, но и даже построить на её основе своеобразный конвейер, позволяющий перемещать предметы без касания их.
Практическая реализация такой левитации заключается в самом простом случае в расположении друг напротив друга двух ультразвуковых излучателей, которые излучают ультразвук, развёрнутый по фазе на 180°. В тех местах, где волны совпадают по частоте и по фазе, образуются зоны стоячей волны:
Картинка: Lucas Vieira, wikipedia.org
Картинка: duino.ru
Они представляют собой зоны сжатия, будучи захваченными в которых и удерживаются лёгкие предметы.
Некоторые авторы говорят о том, что такие зоны представляют собой своеобразные «полки», на которых «лёжа удерживаются лёгкие предметы».
Однако я сам с этим не согласен, так как, насколько мне удалось выяснить в ходе предыдущего исследования этого вопроса, ультразвук имеет свойство глубоко проникать в материю, и здесь, на мой взгляд, скорее наблюдается своеобразное «влипание» предмета, примерно так же, как муха влипает в мёд, то есть ультразвук проникает в предмет, заставляет колебаться со своей частотой как минимум поверхностные слои предмета, что и вызывает эффект «влипания» как мухи в мёде.
То есть если предмет достаточно лёгкий и колеблется как минимум частично вместе с ультразвуком, то это позволяет его достаточно уверенно перемещать в пространстве, потому что он сам, как бы «является частью этого пространства и колеблется с его частотой».
UPD. Но, после некоторых размышлений, я всё же думаю, что тут наблюдается вот что: если предмет достаточно лёгкий и вокруг него образуется зона высокого давления, то, если эта зона начинает быстро передвигаться, то она выступает свого рода пневматическим захватом, то есть предмет подталкивает и, продолжая удерживать, перемещает относительно высокое давление воздуха, из зоны которого он не может вырваться, в виду своего малого веса.
Нужно ещё более подробно исследовать этот вопрос, однако сам факт, что с помощью такой ультразвуковой левитации не просто удерживают предметы на весу, но и перемещают их с очень большой скоростью (что мы и увидим ниже), говорит в пользу этого утверждения.
В самом простом варианте, как мы и говорили выше, подобный левитатор представлен двумя ультразвуковыми излучателями, расположенными друг напротив друга:
Подробное описание этого проекта, с необходимыми деталями и исходным кодом можно найти здесь.
Используя фазовый сдвиг, можно добиться того, чтобы эти зоны стоячей волны перемещались в пространстве:
Картинка: Д. Ильин: vectorization, translation. File:Phase shift.png by Ignacio Icke, CC0, wikipedia.org
При желании можно ознакомиться с подробной теорией ультразвуковой левитации.
Более крупный проект такого плана, использующий уже 72 ультразвуковых излучателей, можно построить по описанию отсюда:
Кстати говоря, в видео выше, если смотреть с 3:37, как раз видно перемещение, насколько я понимаю, реализованное описанным выше способом.
▍ Ультразвуковой 3D-экран
Если мы захотим чего-то большего, то, на мой взгляд, здесь очень хорошо подойдёт совершенно потрясающий проект, разработанный университетом Сассекса (UK), также впоследствии повторённый одним из энтузиастов, который смог его построить, основываясь на выложенной разработчиками подробной научной статье с описанием проекта.
Физическая часть проекта представляет собой два массива ультразвуковых излучателей, расположенных на плоскостях и развёрнутых друг напротив друга.
Они позволяют с большой скоростью манипулировать зависшим между ними пенопластовым шариком, и, по сути, система представляет собой своеобразный трёхмерный дисплей, позволяющий демонстрировать трёхмерные объекты примерно таким же способом, как происходит развёртка изображения по горизонтали и вертикали в плоских системах создания изображений, только здесь шарик перемещается в трёх плоскостях и с очень большой скоростью. Это создаёт полную иллюзию существующего трёхмерного объекта.
Мало того, объект можно «почувствовать», то есть система реализует обратную тактильную связь с трёхмерным объектом:
Система рассчитывает параметры излучаемого каждым излучателем ультразвука таким образом, что это позволяет перемещать зоны стоячей волны и, соответственно, шарик в трёх плоскостях.
Так как официально доступные материалы от университета (ссылка на которые приведена выше) не содержат детального описания электронной части и исходных кодов, а больше сконцентрированы на методологии осуществления расчётов, то имеет смысл обратиться к проекту энтузиаста.
Проект энтузиаста, о котором я говорил ранее, представлял собой 2 массива, по 100 ультразвуковых излучателей каждый, а трёхмерный объём для перемещения объекта был ограничен кубом 100х100х145 мм.
В пределах этого куба происходило перемещение пенопластового шарика диаметром в 1 мм со скоростью более 1 м/с, а позиционирование производилось с точностью до 0,1 мм.
Как заявляет автор, он смог добиться удвоения скорости перемещения (до 2 м/с), однако у него уже не хватило терпения, чтобы заставить всё работать надёжно на таких скоростях.
Тут следует сделать небольшую ремарку, что у проекта, реализованного университетом, были достигнуты гораздо большие скорости — на девятой странице документации проекта, ссылка на который приведена выше, показано, что были достигнуты скорости в 3,75 м/с и много другой интересной информации.
В качестве «мозга» системы, для расчёта фаз сигналов и общего контроля, была использована Raspberry Pi Zero W, производящая расчёты для обоих массивов.
Для коммутации большого количества выводов было использовано по две (т. к. автор не нашёл одну матрицу с нужным количеством выводов) FPGA-матрицы для каждого массива излучателей, которые получали по SPI команды от Raspberry Pi, отправляя команду на контроллер каждого массива (имеющий свою память), который, в свою очередь, включал драйверы каждого ультразвукового излучателя, представленные обычным КМОП H-мостом, у которого были задействованы оба канала для запитки одного излучателя (для надёжности, чтобы увеличить возможности по пропускаемому току).
Также система была снабжена LED-подсветкой, которая освещала шарик в моменты его остановок в каждом новом положении (поэтому при перемещении шарика видно своеобразную «покадровку», то есть шарик перемещается дискретно).
Кроме простой подсветки, была реализована ещё и «подсветка по программе», когда перемещающийся по своей траектории шарик освещался только в определённые моменты. Благодаря этому, как можно видеть ниже, был, в частности, реализован эффект машущей крыльями бабочки:
Исходники рассмотренного проекта можно найти здесь.
▍ Ультразвуковая связь
Но возможности ультразвука не исчерпываются только созданием левитационных устройств — одним из любопытных применений является прямая передача данных с помощью ультразвука.
Только здесь нужно иметь в виду, что частота широко показанных ниже ультразвуковых излучателей составляет 40 кГц, что, грубо говоря, можно приравнять к 40 кбит/сек (да, будет не шибко быстро), только нужно ещё учесть, что всё будет зависеть от того, какой величины паузы вам нужны будут между передаваемыми пакетами, чтобы система смогла однозначно идентифицировать эти пакеты; больше продолжительность паузы — меньше суммарная скорость передачи, так как меньше остаётся времени для собственно передачи данных в единицу времени.
Тем не менее это всё абсолютно реально, и можно реализовать на стандартных ультразвуковых излучателях, подобных тем, которые используются в ультразвуковых радарах для Arduino типа HC-SR04., передающую часть можно подключать напрямую, а для приёмной необходимо собрать соответствующую «обвязку» на базе усилителя LM386 и компаратора LM393:
Картинка: digitrode.ru
В итоге должно получиться нечто такое:
Исходный код для приёмной и передающей части можно найти здесь.
Кстати говоря, эта реализация фактически является в некоторой степени, давно изложенной идеей одного из инженеров, который предлагал такое использовать для передачи информации в рамках комнаты.
Только у него идея заключалась в том, чтобы использовать сразу два передатчика, чтобы если в зоне действия такого типа связи будет наблюдаться какой-либо посторонний излучатель ультразвука, то этот фоновый шум не был принят за сигнал. К сожалению, он не довёл тогда (2014 г.) свою идею до реализации.
▍ Самодельный ультразвуковой излучатель
Не секрет, что многие электронщики используют ультразвуковые ванны для очистки электронных компонентов и плат после пайки. Также эти ванны используются и ювелирами для чистки изделий, а 3D-печатники применяют их для вымывания остатков смолы из труднодоступных мест (в случае фотополимерной печати).
Обычно эти ванны содержат в своей конструкции достаточно мощные ультразвуковые излучатели, для которых в большей степени используются излучатели на основе магнитострикционного эффекта, реже — на базе пьезоэлектрического (потому что они проще и доступней).
Магнитострикционный эффект был обнаружен ещё Джоулем в 1847 г., и суть этого эффекта сводится к тому, что некоторые материалы, будучи внесёнными в магнитное поле, изменяют свои физические размеры.
При этом наблюдается интересный эффект: направление магнитного поля не влияет на величину наблюдаемого эффекта, то есть если мы будем рассматривать некий стержень, который при появлении магнитного поля меняет свою длину, например, укорачивается, то при резком изменении направления магнитного поля он так и останется укороченным.
Для восстановления его прежней длины требуется, чтобы магнитное поле исчезло.
Таким образом, если на этот стержень мы будем воздействовать с помощью некой катушки, по которой течёт переменный ток (изменяясь по синусоидальному закону), то при каждом изменении магнитного поля на отличное от нуля значение стержень будет изменять свою длину. То есть будет наблюдаться удвоенная частота изменений его длины по сравнению с питающим напряжением катушки, соответственно, при каждом прохождении через нулевое значение стержень будет возвращаться к своей обычной длине.
Поэтому магнитострикционный эффект ещё называют «чётным эффектом».
Что касается удвоенной частоты, то это часто является негативным явлением, так как такая удвоенная частота автоматически означает меньшую величину амплитуды деформаций.
Чтобы увеличить амплитуду, вводят постоянное подмагничивание: для маломощных излучателей — с помощью обычных постоянных магнитов, а для мощных излучателей — с помощью отдельной обмотки с питанием.
Такое постоянное подмагничивание называется поляризацией и позволяет увеличить амплитуду практически вдвое, а частота деформаций начинает совпадать с частотой переменного тока, питающего электромагнитную катушку.
Что касается материалов вибратора, то до предела излучаемой мощности в 4 
используются ферриты, а выше этого уже другие материалы, например, никелевые сплавы.
Причина в том, что феррит обладает слишком низкой механической прочностью и при превышении предельной мощности физически разваливается.
В одной из старых книг (В. В. Майер «Простые опыты с ультразвуком») приводится простая конструкция самодельного ультразвукового излучателя на базе ферритового стержня, которая часто повторяется энтузиастами ввиду своей простоты конструкции:
Картинка: В. В. Майер «Простые опыты с ультразвуком»
Конструкция построена на базе ферритового стержня марки М400НН диаметром 8 мм и длиной 100-160 мм и содержит катушку возбуждения, намотанную проводом ПЭЛ 1.0 (т. е. 1 мм сечением, медный провод в лаковой изоляции) виток к витку в два слоя, а общая длина намотанной обмотки должна составлять половину ферритового стержня.
Для постоянного подмагничивания использовано три керамических О-образных круглых магнита (такие обычно есть в звуковых динамиках, в колонках).
И ниже вы можете увидеть, как работает современная реплика этой конструкции, а также её настройку:
Для сборки этого устройства, кроме уже названных элементов будет нужен ещё транзистор с логическим уровнем (т.е. который может открыться от напряжения логической 1 на ножке микроконтроллера, например, Arduino или esp32) и микроконтроллер, с которого подаётся ШИМ-сигнал на этот транзистор.
Если использовать esp32, то с учётом, что напряжение единицы на её ножке = 3,3В, то и нужно будет подбирать соответствующий транзистор, который может полностью открыться от такого напряжения.
В случае esp32 полную таблицу пинов, куда можно подключиться, можно глянуть тут, как генерировать ШИМ-сигнал, можно посмотреть тут.
А сама схема управления катушкой будет выглядеть так (правда, тут показано на примере Arduino, но это справедливо и для esp32):
Картинка: alexgyver.ru
Таким образом, при желании вы можете попробовать собрать собственную версию этого устройства.
Справедливости ради следует отметить, что в ультразвуковом излучении нет никакой «магии», а собственно само излучение ультразвука не ограничивается только получением его с применением магнитострикционного или пьезоэлектрического эффектов.
Например, в книге Д. А. Гершгал и В. М. Фридман «Ультразвуковая технологическая аппаратура» разобраны достаточно простые по конструкции излучатели, представляющие собой, по сути, своеобразные звуковые колонки с колеблющимся диффузором. Но, насколько я понимаю, широкого распространения они не получили ввиду того, что, как отмечают авторы этой книги, с увеличением частоты у таких излучателей падает выходная излучаемая мощность, и поэтому их рабочий частотный диапазон находится в пределах 1-2 кГц, а наиболее частым их применением является использование в пределах частот в 10-200 Гц. Однако для общего развития можно ознакомиться, это достаточно любопытно…
Подытоживая, можно сказать, что ультразвук занимает существенное место в современном мире, его применение отнюдь не ограничивается только этими примерами. Тем не менее, с одной стороны, даже построение описанных устройств самостоятельно может быть весьма увлекательным, а с другой — дать возможность получить на выходе вполне полезные для применения практичные аппараты.
Telegram-канал со скидками, розыгрышами призов и новостями IT 💻
Автор:
DAN_SEA
