Создание ультразвукового левитатора на Arduino: пошаговое руководство

Компоненты и материалы

Arduino UNO	1
Ультразвуковой датчик HC-SR04 (трансдукеры)	1
Драйвер двигателей L298 (Dual H-Bridge)	1
Батарея 9V	1

Необходимые инструменты

• Прямой припой
• Паяльник
• Набор перемычек 10 шт., 5 см

Приложения и онлайн-сервисы

• Arduino IDE

О проекте

Интересно наблюдать, как объект парит в воздухе, как инопланетный корабль. Именно это делает антигравитационный проект. Маленький кусочек бумаги или пенопласта помещается между двумя ультразвуковыми преобразователями, создающими стоячие акустические волны. Объект левитирует благодаря звуковым волнам, создающим видимость антигравитации.

Шаг 1: Как это возможно?

Для понимания акустической левитации нужно знать о гравитации, воздухе и звуке.

• Гравитация — сила притяжения масс. Земля притягивает близкие объекты.
• Воздух — газ, поведение которого аналогично жидкости. Частицы движутся быстрее и дальше друг от друга, чем в жидкостях.
• Звук — вибрация, распространяющаяся через среду. При движении мембраны создаются сжатия (компрессии) и разрежения (рарефакции). Без движения молекул звук не распространяется (в вакууме тишина).

Акустический левитатор состоит из:

• Трансдукера — вибрирующей поверхности, генерирующей звук.
• Рефлектора — отражающей поверхности.

Часто у них вогнутые поверхности для фокусировки звука. Волна отражается от рефлектора. Три свойства позволяют удерживать предметы в воздухе:

1. Интерференция: при отражении сжатия и разрежения взаимодействуют. Сжатия усиливают сжатия, сжатия и разрежения гасят друг друга.
2. Стоячая волна: при правильном расстоянии между трансдукером и рефлектором образуется стоячая волна — видимая неподвижная картина с узлами (минимум давления) и антиузлами (максимум давления).
3. Узлы стоячей волны — ключ к левитации. Если ориентировать волну параллельно гравитации, в узлах давление почти нулевое, а рядом — постоянное вверх/вниз. Маленькие предметы размещаются в узлах и парят.

Шаг 2: Необходимые компоненты

• Arduino Uno / Nano (ATMEGA328P)
• Ультразвуковой модуль HC-SR04
• L298 H-Bridge Module (или L293D)
• Текстолитовая плата
• Батарея 7.4V или источник питания
• Соединительные провода

Шаг 3: Принципиальная схема

Основа — Arduino, драйвер L298, ультразвуковые преобразователи с модуля HC-SR04. Датчик работает на 40 кГц. Arduino генерирует 40 кГц сигнал (через таймер и прерывания) на пинах A0 и A1, подаёт на входы L298, который усиливает сигнал до 7.4В и питания преобразователей. Два преобразователя ставятся лицом к лицу с зазором. Акустические волны создают стоячую волну — объект левитирует в узле.

Шаг 4: Изготовление преобразователей

Распаяйте передатчик и приёмник с модуля HC-SR04. Снимите защитные кожухи, припаяйте длинные провода. Установите их один над другим, строго лицом к лицу на одной линии. Важно: они должны смотреть в противоположные стороны, чтобы волны пересекались. Для фиксации использованы пенопласт, гайки и болты.

Смотрите видео для лучшего понимания.

Шаг 5: Программирование

Код минимален: с помощью таймера и прерываний генерируется 40 кГц меандр на пинах A0 и A1.

Код доступен на Gist: github.com/EDISON-SCIENCE-CORNER/3ebb7020d0dacbbae949afb8f29bfcc3

Шаг 6: Подключение

Соберите по схеме. Обязательно соедините все GND вместе.

Шаг 7: Важные моменты и улучшения

• Позиционирование преобразователей критично — выравнивайте точно.
• Поднимаются только лёгкие объекты: пенопласт, бумага.
• Требуется ток минимум 2 А.
• Попытки увеличить число преобразователей или повысить напряжение не дали результата.
• Улучшение: при множественных излучателях их нужно располагать по кривой (фокусирующей) структуре, а не в линию.

Шаг 8: Благодарности

Вопросы — в комментариях.

Код

Gist: https://gist.github.com/EDISON-SCIENCE-CORNER/3ebb7020d0dacbbae949afb8f29bfcc3

Схемы