简易超声驻波声悬浮实验装置

原理说明

超声驻波悬浮是利用超声换能器的辐射端产生高频的活塞式振动,在介质中形成声场,在声波传输路径上放置反射端,使声波反射回来与入射声波相互叠加,调节辐射端面与反射端面之间的距离,使之为超声波半波长的整数倍,入射波与反射波在声场空间中反复多次叠加形成高强驻波声场,并形成辐射声压,置于驻波声场中的物体在辐射声压的作用下,将达到悬浮状态。

本文超声驻波悬浮实验装置可以悬浮起聚苯乙烯颗粒等轻小物体。

1.产品简介

利用超声波驻波实现小物体悬浮的实验装置。本装置使用两个直径10毫米、主频40KHz超声波发射头，间距为超声波半波长的整数倍，两个超声波头发射方向对置放置发射超声波，产生驻波声场,并形成辐射声压,从而建立起实现悬浮起物体的声场条件，供实验使用。

2.应用场景

声悬浮实验对于增加学生对物理学的兴趣，提高学生的学习能力会有一定的帮助。本实验装置适合小、中、大学学生及对声悬浮原理感兴趣的人士使用及电子爱好者DIY。

3.产品概述

本装置电路部分由主模块、电源模块和顶部转接板组成，是软硬结合的形式。主模块主要是基于STC15F104W作为处理器产生两路40KHz脉冲信号，分别经由两个AT4950驱动器激励输出电压，驱动超声波发射头工作产生40KHz超声波。

电源模块实现锂电池升压至5V，为主模块供电。

软件代码提供HEX格式文件便于MCU直接编程加载。

   本装置的外壳由主机体、顶盖和五金支架等3部分组成。

4.产品参数

电气参数：

1、工作电压典型值：5V，使用Type-C供电。

2、超声波发射头工作频率40KHz。

规格参数：

1、PCB尺寸：主模块板约35mm*35mm双层PCB设计；电源模块板35mm*35mm双层PCB设计；顶部转接板为25mm*16mm双层PCB设计。

3D简介图

主模块

电源模块

顶部转换板

5.使用说明/教程

主模块需要与电源模块、顶部转接板配合使用，无法单独工作。

5.1项目模块连接示意图

按以上图示接好电池、供电电源、超声波发头,上面的发射头是通过顶部转接板和铝柱与主模块连接的（可以参看后面视频）安装完毕，给主控烧录好程序，打开电源开关，即可进行声悬浮实验。

5.2 配件及说明

电源模块上使用的CD42 2A 5V充放电一体化模块在备注中提供了购置连接。

装配使用到的五金件铝柱、铜柱和螺丝等规格数量为：M2*50-D3.5铝柱 2根、M2*12+3铜柱4根、M2*3铜柱4根、M2*6螺丝8颗。M2*50-D3.5铝柱在备注中提供了购置连接。

6.备注

1、主模块需要烧录程序代码才能使用，附件中提供main.hex可直接加载烧录。STC15F104W编程使用的是STC全系列单片机自动编程器，该编程器在附件中有推荐购买链接，主模块上S1,S2未使用 故未安装。

2、制作成本：主模块、电源板、电池和转接板等约25元含PCB板。超声波发射头φ10mm约 1.4x2=2.8元。

3、附件文件列表如下。

 （1）、简易超声驻波声悬浮实验装置-主控-固件代码hex.zip

（2）、简易超声驻波声悬浮实验装置-外壳3D模型STL文件包AL3d.zip

（3）、简易超声驻波声悬浮实验装置-安装调试说明.zip

（4）、简易超声驻波声悬浮实验装置-购买链接.zip

（5）、简易超声驻波声悬浮实验装置-电源模块和顶部转接板的PCB Gerber文件.zip

7.测试视频

视频主要介绍本文超声驻波声悬浮实验装置设计组装过程，并实现聚苯乙烯颗粒等小物体悬浮的实验操作演示。