เครื่อง ULTRASONIC LEVITATION โดยใช้ ARDUINO: 8 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2025 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2025-01-23 15:12

เป็นเรื่องที่น่าสนใจมากที่ได้เห็นบางสิ่งที่ลอยอยู่ในอากาศหรือพื้นที่ว่าง เช่น ยานอวกาศของมนุษย์ต่างดาว นั่นคือสิ่งที่โครงการต่อต้านแรงโน้มถ่วงเป็นเรื่องเกี่ยวกับ วัตถุ (โดยทั่วไปคือกระดาษแผ่นเล็กๆ หรือเทอร์โมคอล) วางอยู่ระหว่างทรานสดิวเซอร์อัลตราโซนิกสองตัวซึ่งสร้างคลื่นเสียงอะคูสติก วัตถุนั้นลอยอยู่ในอากาศเนื่องจากคลื่นเหล่านี้ซึ่งดูเหมือนจะต้านแรงโน้มถ่วง

ในบทช่วยสอนนี้ เราจะมาพูดถึงการลอยด้วยคลื่นอัลตราโซนิกและมาสร้างเครื่องลอยตัวโดยใช้ Arduino

ขั้นตอนที่ 1: สิ่งนี้เป็นไปได้อย่างไร

เพื่อให้เข้าใจว่าการลอยตัวด้วยเสียงทำงานอย่างไร ก่อนอื่นคุณต้องรู้เล็กน้อยเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วง อากาศ และเสียง ประการแรก แรงโน้มถ่วงเป็นแรงที่ทำให้วัตถุดึงดูดกัน วัตถุขนาดมหึมา เช่น โลก ดึงดูดวัตถุที่อยู่ใกล้ๆ ได้ง่าย เช่น แอปเปิ้ลที่ห้อยลงมาจากต้นไม้ นักวิทยาศาสตร์ยังไม่ได้ตัดสินใจว่าอะไรทำให้เกิดแรงดึงดูดนี้ แต่พวกเขาเชื่อว่ามีอยู่ทุกหนทุกแห่งในจักรวาล

ประการที่สอง อากาศเป็นของเหลวที่ทำงานในลักษณะเดียวกับของเหลว เช่นเดียวกับของเหลว อากาศประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กมากซึ่งเคลื่อนที่สัมพันธ์กัน อากาศก็เคลื่อนที่ได้เหมือนน้ำ อันที่จริงแล้ว การทดสอบตามหลักอากาศพลศาสตร์บางอย่างเกิดขึ้นใต้น้ำแทนที่จะทำในอากาศ อนุภาคในก๊าซ เช่นเดียวกับที่ประกอบเป็นอากาศ อยู่ห่างกันและเคลื่อนที่เร็วกว่าอนุภาคในของเหลว

ประการที่สาม เสียงคือการสั่นสะเทือนที่เคลื่อนที่ผ่านตัวกลาง เช่น แก๊ส ของเหลว หรือของแข็ง ถ้าคุณตีระฆัง ระฆังจะสั่นในอากาศ เมื่อด้านหนึ่งของกระดิ่งเคลื่อนออกไป มันจะดันโมเลกุลของอากาศที่อยู่ติดกัน เพิ่มความกดดันในบริเวณนั้นของอากาศ บริเวณที่มีความกดอากาศสูงกว่านี้เป็นแรงอัด เมื่อด้านข้างของกระดิ่งเคลื่อนกลับเข้ามา มันจะดึงโมเลกุลออกจากกัน ทำให้เกิดบริเวณที่มีความดันต่ำกว่าที่เรียกว่า rarefaction หากปราศจากการเคลื่อนที่ของโมเลกุล เสียงจะไม่สามารถเดินทางได้ ซึ่งเป็นเหตุให้ไม่มีเสียงในสุญญากาศ

เครื่องช่วยหายใจแบบอะคูสติก

ตัวลอยแบบอะคูสติกพื้นฐานมีสองส่วนหลัก -- ทรานสดิวเซอร์ ซึ่งเป็นพื้นผิวที่มีการสั่นสะเทือนซึ่งทำให้เกิดเสียง และตัวสะท้อนแสง บ่อยครั้งที่หัวโซน่าร์และรีเฟลกเตอร์มีพื้นผิวเว้าเพื่อช่วยเน้นเสียง คลื่นเสียงเคลื่อนตัวออกจากทรานสดิวเซอร์และกระเด้งออกจากรีเฟลกเตอร์ คุณสมบัติพื้นฐานสามประการของการเดินทางครั้งนี้ คลื่นสะท้อนช่วยให้สามารถระงับวัตถุในอากาศได้

เมื่อคลื่นเสียงสะท้อนออกจากพื้นผิว ปฏิกิริยาระหว่างการบีบอัดและการแรกลับทำให้เกิดการรบกวน การกดทับที่พบกับการกดทับแบบอื่นๆ จะขยายซึ่งกันและกัน และการกดที่ตรงกับการกดที่ไม่ค่อยพบจะทำให้เกิดความสมดุลระหว่างกัน บางครั้งการสะท้อนและการรบกวนสามารถรวมกันเพื่อสร้างคลื่นนิ่ง คลื่นนิ่งดูเหมือนจะเคลื่อนไปมาหรือสั่นสะเทือนเป็นส่วนๆ แทนที่จะเดินทางจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง ภาพมายาของความเงียบสงัดนี้เป็นที่มาของชื่อคลื่นนิ่ง คลื่นเสียงที่ยืนนิ่งได้กำหนดโหนด หรือบริเวณที่มีแรงดันต่ำสุด และแอนติโนด หรือบริเวณที่มีแรงดันสูงสุด โหนดของคลื่นนิ่งเป็นสาเหตุของการลอยตัวของเสียง

การวางรีเฟลกเตอร์ให้ห่างจากทรานสดิวเซอร์อย่างเหมาะสม เครื่องช่วยลอยแบบอะคูสติกจะสร้างคลื่นนิ่ง เมื่อทิศทางของคลื่นขนานกับแรงดึงของแรงโน้มถ่วง ส่วนของคลื่นนิ่งจะมีแรงดันลงคงที่และส่วนอื่นๆ จะมีแรงดันขึ้นคงที่ โหนดมีแรงกดน้อยมาก

เพื่อให้เราสามารถวางสิ่งของเล็กๆ ไว้ที่นั่นแล้วลอยขึ้นได้

ขั้นตอนที่ 2: ส่วนประกอบที่จำเป็น

• Arduino Uno / Arduino นาโน ATMEGA328P
• โมดูลอัลตราโซนิก HC-SR04
• L239d โมดูล H-Bridge L298
• pcb ทั่วไป
• แบตเตอรี่ 7.4v หรือแหล่งจ่ายไฟ
• สายต่อ.

ขั้นตอนที่ 3: แผนภาพวงจร

หลักการทำงานของวงจรนั้นง่ายมาก องค์ประกอบหลักของโครงการนี้คือ Arduino, L298 motor driving IC และทรานสดิวเซอร์อัลตราโซนิกที่รวบรวมจากโมดูลเซ็นเซอร์อัลตราโซนิก HCSR04 โดยทั่วไป เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกจะส่งคลื่นเสียงของสัญญาณความถี่ระหว่าง 25khz ถึง 50 kHz และในโครงการนี้ เรากำลังใช้ตัวแปลงสัญญาณอัลตราโซนิก HCSR04 คลื่นอัลตราโซนิกนี้ทำให้คลื่นนิ่งมีโหนดและแอนติโนด

ความถี่ในการทำงานของทรานสดิวเซอร์ล้ำเสียงนี้คือ 40 kHz ดังนั้น จุดประสงค์ของการใช้ Arduino และโค้ดชิ้นเล็กๆ นี้คือการสร้างสัญญาณการสั่นความถี่สูง 40KHz สำหรับเซ็นเซอร์อัลตราโซนิกหรือทรานสดิวเซอร์ของฉัน และพัลส์นี้ใช้กับอินพุตของไดรเวอร์มอเตอร์ดวล IC L293D (จากพิน Arduino A0 & A1) เพื่อขับเคลื่อนทรานสดิวเซอร์ล้ำเสียง สุดท้ายนี้ เราใช้สัญญาณการสั่น 40KHz ความถี่สูงนี้พร้อมกับแรงดันไฟที่ขับผ่าน IC ขับ (โดยทั่วไปคือ 7.4v) บนทรานสดิวเซอร์อัลตราโซนิก อันเป็นผลมาจากการที่ทรานสดิวเซอร์ล้ำเสียงสร้างคลื่นเสียงอะคูสติก เราวางทรานสดิวเซอร์สองตัวหันหน้าเข้าหากันในทิศทางตรงกันข้ามในลักษณะที่เว้นช่องว่างระหว่างพวกเขา คลื่นเสียงอะคูสติกเดินทางระหว่างทรานสดิวเซอร์สองตัวและปล่อยให้วัตถุลอยได้ โปรดดูวิดีโอสำหรับ ข้อมูลเพิ่มเติมทุกอย่างอธิบายไว้ในวิดีโอนั้น

ขั้นตอนที่ 4: การสร้างทรานสดิวเซอร์

ขั้นแรกเราต้องแยกตัวส่งและตัวรับออกจากโมดูลอัลตราโซนิก ถอดฝาครอบป้องกันออกแล้วต่อสายยาวเข้ากับมัน จากนั้นวางตัวส่งและตัวรับไว้เหนือกัน จำไว้ว่าตำแหน่งของทรานสดิวเซอร์อัลตราโซนิกมีความสำคัญมาก ควรหันหน้าเข้าหากันซึ่งสำคัญมากและควรอยู่ในแนวเดียวกันเพื่อให้คลื่นเสียงอัลตราโซนิกสามารถเดินทางและตัดกันในทิศทางตรงกันข้าม สำหรับสิ่งนี้ฉันใช้แผ่นโฟม ถั่วและบอท

โปรดดูวิดีโอการทำเพื่อความเข้าใจที่ดีขึ้น

ขั้นตอนที่ 5: การเขียนโปรแกรม

การเข้ารหัสนั้นง่ายมากเพียงไม่กี่บรรทัด การใช้โค้ดเล็กๆ นี้ร่วมกับตัวจับเวลาและฟังก์ชันขัดจังหวะ เรากำลังสร้างสูงหรือต่ำ (0 / 1) และสร้างสัญญาณการสั่นที่ 40Khz ไปยังพินเอาต์พุต Arduino A0 และ A1

ดาวน์โหลดรหัส Arduino จากที่นี่

ขั้นตอนที่ 6: การเชื่อมต่อ

เชื่อมต่อทุกอย่างตามแผนภาพวงจร

อย่าลืมเชื่อมต่อทั้งสองบริเวณเข้าด้วยกัน

ขั้นตอนที่ 7: สิ่งสำคัญและการปรับปรุง

ตำแหน่งของทรานสดิวเซอร์นั้นสำคัญมาก ดังนั้นพยายามวางให้อยู่ในตำแหน่งที่เหมาะสม

เราสามารถยกสิ่งของน้ำหนักเบาชิ้นเล็กๆ เช่น เทอร์โมคอลและกระดาษได้เท่านั้น

ควรให้กระแสไฟอย่างน้อย 2 แอมป์

ต่อไปฉันพยายามจะลอยวัตถุขนาดใหญ่เพื่อสิ่งนั้นก่อน ฉันเพิ่มจำนวน ของตัวส่งและตัวรับที่ไม่ได้ทำงาน ต่อไปฉันลองใช้ไฟฟ้าแรงสูงที่ไม่สำเร็จ

Improments

ต่อมาฉันเข้าใจว่าฉันล้มเหลวเพราะ การจัดเรียงทรานสดิวเซอร์ หากเราใช้ทรานสมิตเตอร์หลายตัว เราควรเชื่อมโยงกันในโครงสร้างโค้ง

ขั้นตอนที่ 8: ขอบคุณ

มีข้อสงสัย Comment ไว้ด้านล่าง