懸浮物體大驚奇：自製微型超音波懸浮器

2018-11-19

原文發布於《MAKE》德文版官網，由Niq Oltman翻譯。

如果你想試驗超音波懸浮，一種用聲波讓物體靜浮在空中的原理，你不需要準備任何科學儀器，更不用架設複雜的迴路控制系統或購買昂貴套件。只要一個Arduino、一個步進馬達驅動器，再改變一下距離感測器的功能就可以了。

好吧！我承認我們的微型超音波懸浮器沒辦法讓很重的東西浮起來，但光看保麗龍小球像被施了魔法般靜浮在空中，就已經很吸引人了。

相較於磁懸浮，超音波方法就不需要有用來穩定懸浮物體的控制迴路系統。聲波懸浮系統能讓物體自己停留在駐波節點上。你還可讓多個物體同時懸浮在彼此上方，均勻分布空間！

時間：3～8小時

難度：中等

成本： $0～50美元

材料

Arduino Nano微控制板，附USB線

H橋L293D晶片，或者使用L298N晶片及整流器二極體1N4007（1個或以上）的步進馬達驅動器模組

電容：100nF（1）和2,200µF（1）

測試用無銲麵包板

萬用電路板（Perfboard），配接永久電路用，尺寸約2″×2″

懸浮用保麗龍小球（發泡聚苯乙烯）

跳線和／或安裝線

電源供應器9V–12V。桌上型電源供應器較好，或者小型變壓器也可。你甚至可以試試看9V電池

HC-SR04超音波距離感測器（2）

銅管，0.7″ (18mm)，長度約6″，以及接頭：T型接頭（1）和90°接頭（3）

底座用小木塊

在2/18日發行的《MAKE》雜誌德文版中，我們發表了兩個超音波懸浮裝置的替代方案，其中一個是從已嚴重燒毀的超音波清潔器取下換能器來使用。

不過還有第三個方案，就是接下來要告訴大家的。該方法使用便宜的距離感測器來製作，這個方法也是目前最簡單的。

1、分解超音波感測器

本專題以距離感測器中之超音波換能器為基礎，像是HC-SR04距離感測模組，該模組可於eBay以不到2美元購得。

模組內含有一個做為發射器（T）使用的換能器，另一個換能器則當作接收器（R）使用。原則上，選擇T換能器做為專題用的發射器效果較佳，所以我們買了兩個感測器，分別取出裡面的T換能器（必要的話也可以只買一個，以第一次做這個實驗來說，R換能器的發射功能已經夠好了）。

請將兩個換能發射器脫焊。不過既然開始拆了，就把R換能器也拆下來吧！請勿把接收器上的小線濾網丟掉。因為事實證明，這東西真是出乎意料地好用。

換能器的設計是以40kHz運作，該頻率下換能器的工作效能最佳，頻率訊號會由Arduino Nano發出。

2、上傳ARDUINO程式碼

以下Arduino腳本（sketch）大多由setup()程式執行工作。首先，將所有類比埠口設定為輸出。接著，Timer1設定為頻率80kHz時觸發中斷（interrupt），每次中斷會反轉類比埠口狀態，將80kHz方波訊號轉換為40kHz的全波循環。而loop()程式碼在此就無用武之地了！

byte TP = 0b10101010; //每個埠口都會收到反相訊號

void setup() {

DDRC = 0b11111111; // Set all analog ports to be outputs 將所有類比埠口設定為輸出

// 初始化Timer1

noInterrupts(); //中斷禁止

TCCR1A = 0;

TCCR1B = 0;

TCNT1 = 0;

OCR1A = 200; // 設定比較暫存器 (16MHz / 200 = 80kHz 方波 -> 40kHz全波)

TCCR1B |= (1 << WGM12); // CTC 模式

TCCR1B |= (1 << CS10); // Set prescaler to 1 ==> no prescaling 將預除器設為1 ==> 無預除

TIMSK1 |= (1 << OCIE1A); // Enable compare timer interrupt 允許比較暫存器中斷

interrupts(); // Enable interrupts 允許中斷

}

ISR(TIMER1_COMPA_vect) {

PORTC = TP; //傳送TP的值到輸出埠

TP = ~TP; //將TP值反相，以進行下一次運作

}

void loop() {

//剩下就沒什麼事了 🙂

}

完整的程式碼及示意圖ZIP檔請點擊makezine.com/go/micro-ultrasonic-levitator免費下載

3、配置電路

理論上，你可以同時將兩個發射器直接連到Arduino Nano類比埠口，因為它們只需要非常小的電流。不過，這麼做的話，其工作電壓就會受限於Arduino所提供的5V，大大降低懸浮功率。為了加強訊號，請使用擁有H橋電路的L293D晶片，就是某些步進馬達驅動器裡會使用的那種晶片。

如果你對於直接使用L293D晶片感到憂心，可以用有L298N晶片的步進馬達驅動模組作為替代。只要把四個輸入端其中兩個接到Arduino的A0和A1埠口，再接通GND端和5V端即可，配接方式詳如下方示意圖。

假如你是直接在萬用板上使用IC晶片建立電路，請確保電路內加入兩個電容。如此可濾除換能器產生的線路雜訊，這些雜訊很可能會「毀損」Arduino，迫使控制板不斷重置。

4、讓物體懸浮

請先將兩個發射器以間隔約20mm（0.8″）放置，可以用輔助夾座或其他功能類似的裝置將其固定。確切的間隔距離需透過反覆實驗才能得知。上圖說明了完整的架設原型，使用了步進馬達模組、麵包板和輔助夾座。

此間隔距離必須恰好能產生駐波，還要有夠強的高低氣壓場。你可用以下公式估算距離，並以室溫下音速343m/sec（1,125ft/sec）來計算：

343,000mm/sec ／ 40,000Hz = 8.575mm

所以，要期待能在距離為8.575毫米（0.338”）或該數值倍數時產生駐波。但兩發射器間之距離與聲波圍繞的區域範圍不盡相同，因此該計算結果並不是非常準確，你必須一直微調距離直到裝置能成功運作。

假如你有雙通道示波器，這將有助於你找到合適的距離。請將通道之一連接到Arduino，另一通道連接到兩發射器其中一個（測量時請確保發射器與電路板已中斷連接）。若距離恰好，超音波接收器發出的正弦波應該與Arduino的方波信號完全同相。

還記得你留下的超音波接收器線濾網嗎？把它黏在牙籤上，這可在你要把保麗龍小球放到適當位置時助你一臂之力，因為它能透射聲波（假如你用手或鑷子放小球可能會很辛苦。而且會使換能器發出的聲波產生折射或受到擾動，駐波也可能因此無法成形或不穩定）。

物體首次成功懸浮前，你需要有點耐心。

如果球好像要浮起來卻又掉下來了，請試著用小塊一點的保麗龍。懸浮物不需要是圓的。事實上，我們發現不規則狀的碎片似乎更容易懸浮。
你的懸浮物體是否瘋狂跳動？請試試降低電源電壓。你可以另外串聯1N4007二極體來降壓。每個二極體會降低0.7伏特左右的電壓，以12V電源供應器而言，我們發現電壓於9V至11V之間效果最佳（如果可以的話，使用可變電壓的電源供應器是最方便的）。
第一個保麗龍球成功懸浮後，你可以嘗試在其他駐波節點上放置更多小物體。成果一定會讓你印象深刻！

5、讓裝置看起來美美的（非必要）

正式安裝超音波懸浮器時，你可以用漂亮的外殼包覆它，把它打造成令人欽羨的桌上逸品。

我們的最終版是用五金行買來的18mm（0.7″）銅管製成的。我們將兩個發射器的濾網到濾網之間的距離設計為37mm（約為1½”），這是經過實驗得來的數字。至於你用的是幾毫米，數值可能會有所不同。

假如你最後是用L293D晶片來建構電路，整個控制板就能輕鬆置入底座中。右側可以看到12V電源供應器插孔。

祝懸浮愉快！

進階：

這個Ultraino開源專題採用類似於超音波懸浮器的方法，不過功能更加強大。該專題由布里斯托大學Asier Marzo博士帶領，使用Arduino Mega控制板和客製放大器來控制置於3D列印盒子裡由64個換能器組成的相位陣列。此裝置能讓液體、晶片和昆蟲等物體懸浮，你可以在Instructables上找到製作細節。

Ultraino專題科學論文中提到許多超音波相控陣列的其他應用，相當引人入勝。其中包括可控式隔空觸覺反饋、無線功率傳輸、參量式揚聲器，甚至還有牽引聲波。請點此免費線上閱讀。

另一篇和懸浮有關的有趣論文是「微懸浮：多發射器單軸聲波懸浮器」（TinyLev: A multi-emitter single-axis acoustic levitator）。這是Marzo早期製作的專題，用了72個換能器，該專題可於網上查閱。最後這項專題還提供「微懸浮」變化版本（MiniLev），只需要兩個換能器即可，和本專題就更相似了。另外，你也可以看到物理女孩黛安娜（Dianna Cowern from Physics Girl）採訪Marzo的影片，內容非常棒。