21.03.2023
Одноосевая акустическая левитация стоячей волны.
Часть 2. Практика.
В прошлой части статьи мы узнали, что такое левитация, какие она имеет виды, а так же с теоретической точки зрения рассмотрели акустическую левитацию стоячей волны. В данной статье мы займемся построением экспериментальной установки и проведением некоторых экспериментов на ней.
Главной задачей экспериментальной установки является необходимость наглядной демонстрации явления акустической левитации стоячей волны. Экспериментальная установка должна удовлетворять таким параметрам как возможность изменения частоты излучаемой звуковой волны, возможность изменять расстояние между диффузорами излучателей, но так, чтобы данное расстояние оставалось кратным длине волны. Также установка должна позволять определять расстояние между двумя соседними левитируемыми объектами.
В основе конструкции и принципа работы акустического левитрона ультразвукового диапазона лежат ультразвуковые динамики или ультразвуковые пьезоизлучатели. Для построения акустического левитрона, я использовал именно пьезоэлектрические излучатели или пьезоизлучатели. Ультразвуковой пьезоэлектрический излучатель или пьезоизлучатель – это электроакустический элемент, способный воспроизводить звуковые волны в диапазоне, как слышимых частот, так и ультразвуковых, благодаря обратному пьезоэлектрическому эффекту. Обратный пьезоэлектрический эффект – это эффект возникновения механических деформаций под действием электрического поля или полей. Обратный пьезоэлектрический эффект наблюдается в веществах, называемых пьезоэлектриками. Пьезоэлектриками являются многие природные кристаллы, например кварц (SiO2). На рисунке ниже видно, как под воздействием некой силы на цилиндр, являющийся пьезоэлектриком, изменяются показатели вольтметра.
Главной задачей экспериментальной установки является необходимость наглядной демонстрации явления акустической левитации стоячей волны. Экспериментальная установка должна удовлетворять таким параметрам как возможность изменения частоты излучаемой звуковой волны, возможность изменять расстояние между диффузорами излучателей, но так, чтобы данное расстояние оставалось кратным длине волны. Также установка должна позволять определять расстояние между двумя соседними левитируемыми объектами.
В основе конструкции и принципа работы акустического левитрона ультразвукового диапазона лежат ультразвуковые динамики или ультразвуковые пьезоизлучатели. Для построения акустического левитрона, я использовал именно пьезоэлектрические излучатели или пьезоизлучатели. Ультразвуковой пьезоэлектрический излучатель или пьезоизлучатель – это электроакустический элемент, способный воспроизводить звуковые волны в диапазоне, как слышимых частот, так и ультразвуковых, благодаря обратному пьезоэлектрическому эффекту. Обратный пьезоэлектрический эффект – это эффект возникновения механических деформаций под действием электрического поля или полей. Обратный пьезоэлектрический эффект наблюдается в веществах, называемых пьезоэлектриками. Пьезоэлектриками являются многие природные кристаллы, например кварц (SiO2). На рисунке ниже видно, как под воздействием некой силы на цилиндр, являющийся пьезоэлектриком, изменяются показатели вольтметра.
Для создания экспериментальной установки левитрона, я использовал пару ультразвуковых пьезоизлучателей, работающих на частоте 40 * 103 Гц от 12 В.
Но одних пьезоизлучателей не достаточно для создания ультразвуковой волны. Для полноценной работы пьезоэлектрического излучателя на него необходимо подавать высокочастотный электрический сигнал, в моем случае, частотой 40 * 103 Гц.
Для генерации высокочастотной синусоиды, необходимой для правильной работы пьезоизлучателей, я использовал отладочную плату Arduino Nano на базе микроконтроллера Atmega328P с загруженной на ней программой генератора высокочастотной синусоиды. Вычислительная мощность данного микроконтроллера позволяет генерировать синусоиду заданной частоты и довольно большой точностью, достаточной для наших целей.
Напряжения на логических выходах микроконтроллера недостаточно для полноценной работы ультразвуковых пьезоэлектрических излучателей, так как оно равно 5В, а оптимальное напряжение питания пьезоизлучателей равняется 12 В. Также тока с выходов микроконтроллера недостаточно для выведения пьезоэлементов на максимально возможную для них мощность. Следовательно, необходимо повысить как напряжение, так и ток с выходов микроконтроллера перед подачей их на ультразвуковые пьезоэлектрические излучатели. Для этого я воспользовался схемой Н-моста на базе платы L298N.
К входам Н-моста необходимо подвести высокочастотную синусоиду, генерируемою микроконтроллером Atmega328P, а также источник питания, способный выдавать необходимые нам 12 В.
После того, как мы полностью разобрались с необходимыми нам компонентами для полноценной работы левитрона можно приступать к его сборке. Необходимо закрепить ультразвуковые пьезоэлектрические излучатели на деревянной линейке, для возможности точно контролировать расстояние между диффузорами.
Для генерации высокочастотной синусоиды, необходимой для правильной работы пьезоизлучателей, я использовал отладочную плату Arduino Nano на базе микроконтроллера Atmega328P с загруженной на ней программой генератора высокочастотной синусоиды. Вычислительная мощность данного микроконтроллера позволяет генерировать синусоиду заданной частоты и довольно большой точностью, достаточной для наших целей.
Напряжения на логических выходах микроконтроллера недостаточно для полноценной работы ультразвуковых пьезоэлектрических излучателей, так как оно равно 5В, а оптимальное напряжение питания пьезоизлучателей равняется 12 В. Также тока с выходов микроконтроллера недостаточно для выведения пьезоэлементов на максимально возможную для них мощность. Следовательно, необходимо повысить как напряжение, так и ток с выходов микроконтроллера перед подачей их на ультразвуковые пьезоэлектрические излучатели. Для этого я воспользовался схемой Н-моста на базе платы L298N.
К входам Н-моста необходимо подвести высокочастотную синусоиду, генерируемою микроконтроллером Atmega328P, а также источник питания, способный выдавать необходимые нам 12 В.
После того, как мы полностью разобрались с необходимыми нам компонентами для полноценной работы левитрона можно приступать к его сборке. Необходимо закрепить ультразвуковые пьезоэлектрические излучатели на деревянной линейке, для возможности точно контролировать расстояние между диффузорами.
Далее требуется подключить все компоненты, то есть пьезоизлучатели, плату управления и плату Н-моста, после чего, экспериментальная установка полностью готова к эксплуатации.
Акустическая левитация стоячей волны, по сравнению с другими видами акустической левитации, позволяет поднимать объекты гораздо большей массы. Но все равно она не позволяет поднимать объекты большой массы, вследствие чего в своих экспериментах в качестве левитируемых тел я буду использовать кусочки пенопласта, так как их масса достаточна мало для того, чтобы мой левитрон, не обладающий большой мощностью, был способен их левитировать.
Сперва я поместил одно тело между диффузорами акустического левитрона. Как можно наблюдать на видео, оно левитирует в области действия левитрона и находится в состоянии покоя. Это значит, что силы, создаваемые ультразвуковыми пьезоэлектрическими излучателями, полностью компенсируют силу тяжести и следовательно равнодействующая всех сил системы равна нулю.
Акустическая левитация стоячей волны, по сравнению с другими видами акустической левитации, позволяет поднимать объекты гораздо большей массы. Но все равно она не позволяет поднимать объекты большой массы, вследствие чего в своих экспериментах в качестве левитируемых тел я буду использовать кусочки пенопласта, так как их масса достаточна мало для того, чтобы мой левитрон, не обладающий большой мощностью, был способен их левитировать.
Сперва я поместил одно тело между диффузорами акустического левитрона. Как можно наблюдать на видео, оно левитирует в области действия левитрона и находится в состоянии покоя. Это значит, что силы, создаваемые ультразвуковыми пьезоэлектрическими излучателями, полностью компенсируют силу тяжести и следовательно равнодействующая всех сил системы равна нулю.
Как уже было сказано ранее, тела при акустической левитации стоячей волны захватывают в ее узлах. Раз узлы стоячей волны располагаются друг от друга на расстоянии равном половине длины волны (0,5λ), следовательно, можно предположить, что левитируемые тела также будут располагаться друг от друга на расстоянии равному половине длины волны (0,5λ). Докажем данную гипотезу экспериментально.
Поместим в область действия акустического левитрона несколько тел и с помощью мерной шкалы, составляющей часть корпуса левитрона, измерим расстояние между ними.
На видео №2 можно увидеть, что расстояния между всеми соседними левитируемыми телами равны между собой, а также равны 0.5λ.
Поместим в область действия акустического левитрона несколько тел и с помощью мерной шкалы, составляющей часть корпуса левитрона, измерим расстояние между ними.
На видео №2 можно увидеть, что расстояния между всеми соседними левитируемыми телами равны между собой, а также равны 0.5λ.
На видео №3 можно наблюдать, что одновременно левитировать могут сразу пять тел. Конструкционные ограничения данной экспериментальной установки не позволяют левитировать более пяти тел одновременно. Несмотря на то, что расстояние между диффузорами ультразвуковых пьезоэлектрических излучателей приблизительно равно 3λ, следовательно, расчётное количество возможных одновременно левитирующих равняется 6. Но наличие у пьезоизлучателей собственного корпуса и защитной металлической сетки и факт, что размер левитируемых тел сопоставим с расстоянием в половину длины волны, не дают левитировать шестое тело. Следовательно, мы получаем, что расчетное количество одновременно левитируемых тел отличается от полученного в действительности возможного количества одновременно левитирующих тел.
Также необходимо сказать пару слов о максимальном времени левитации тел в области работы левитрона. Данное время ничем не ограничено и в экспериментах получалось абсолютно беспроблемно левитировать тела более 10 минут. После 10 минут левитации тел, эксперимент было решено закончить, так как уже стало понятно, что время ничем не ограничено, так как тела находятся в состоянии покоя и все силы, пытающиеся вывести тела из состояния покоя, компенсировались силами, создаваемыми звуковыми волнами.
Список литературы.
- Acoustic levitation: [Электронный ресурс] // Википедия. Свободная энциклопедия. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Acoustic_levitation
- Акустическая левитация своими руками: [Электронный ресурс] // Хабр. URL: https://habr.com/ru/post/461527/
- Optical tweezers: [Электронный ресурс] // Википедия. Свободная энциклопедия. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Optical_tweezers
- Николай Мартыненко. Левитация для маглов. Как подвесить что-нибудь в воздухе, если вы физик, а не волшебник: [Электронный ресурс] // https://nplus1.ru/. URL: https://nplus1.ru/material/2021/02/26/levitation
- Standing waves: [Электронный ресурс] // Википедия. Свободная энциклопедия. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Standing_wave
- Галеев Глеб Александрович. Стоячие волны в природе и современных технологиях: [Электронный ресурс] // https://school-science.ru/. URL: https://files.school-science.ru/pdf/10/5f3f9546b401b.pdf
- Piezoelectricity: [Электронный ресурс] // Википедия. Свободная энциклопедия. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Piezoelectricity
