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。