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STEM|超聲波懸浮的原理及製作

STEM|超聲波懸浮的原理及製作

超聲波懸浮的原理

  1. 駐波

  • 假設有兩個同速率、同頻率、同振幅、同相位、行進方向相反的波。

  • 互相交疊後就會形成駐波,特徵是空氣介質會進行週期性的震盪,形成固定的節點。

  1. 聲輻射力 (Radiation force)

  • 音波在傳遞時會造成空氣密度改變,形成壓力的變化,稱為「聲壓」。

  • 聲壓強度的差異會產生聲輻射力。

  • 在超音波懸浮裝置形成的駐波中,距離聲源半波長倍數的地方會出現節點,是壓力變化最小處。

  • 聲輻射力的變化量理論上為零,而節點以外的地方的聲輻射力的方向會指向距離自己最近的節點,使得物體不停地被推往節點。

  1. 聲波波長推算

  • 聲波波長 = (331 + 0.6 × 溫度) / 頻率

  • 在25°C下,聲波波長約為8.6毫米。




超聲波懸浮的製作步驟

以下是簡易超聲波懸浮裝置的正確製作步驟:

  1. 原理

  • 駐波:兩個同速率、同頻率、同振幅、同相位、行進方向相反的波交疊後形成駐波,形成固定的節點。

  • 聲輻射力:音波在傳遞時會造成空氣密度改變,形成壓力的變化,稱為「聲壓」,聲壓強度的差異會產生聲輻射力。

  1. 器材

  • 超音波感測器 (HC-SR04)

  • 單軸懸浮裝置

  • Y字型懸浮裝置

  • Arduino Leonardo 開發板

  • 運算放大器 OP549T

  1. 如何懸浮

  • 調整兩個超音波發射器震動平面的間距 (d)。

  • 將訊號 Vout 跟接收到的超音波訊號調整至相同相位。

  • 關閉電源,將上方的超音波發射器改接上 Vout 輸出腳位。

  • 開啟電源,將懸浮物體放至節點的位置。

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