Einfacher Ultraschall-Levitationsapparat

Inhaltsverzeichnis

Zugegeben: Unser Mini Ultrasonic Levitation Device kann keine schweren Gegenstände in der Luft halten. Doch auch kleine Styroporkügelchen sind faszinierend, wenn sie wie von Geisterhand schweben. Anders als bei magnetischer Levitation benötigt man für die Ultraschallvariante keine Regelung, die das schwebende Objekt überwacht. Bei der akustischen Levitation "nistet" sich ein Objekt in einem Knoten einer stehenden akustischen Welle ein. Dadurch können auch mehrere Dinge gleichzeitig übereinander schweben – und nehmen sogar gleichmäßig verteilte Positionen ein.

Grundlage dieses Projekts sind die Ultraschallschwinger, die in Abstandssensoren wie dem HC-SR04-Modul verbaut werden, die man bei eBay schon für weniger als 2 Euro bekommt.

Diese Module enthalten einen Ultraschallschwinger (Transducer), der als Sender (T), und einen zweite, der als Empfänger (R) dient. Prinzipiell arbeitet logischerweise der mit T (Transmitter) markierte Transducer besser als Sender als der mit R markierte. Für die ersten Experimente taugt dieser allerdings auch. Wer von Anfang an ganz auf der sicheren Seite sein möchte, erwirbt zwei HC-SR04 Module und lötet nur die Sender aus. Das Gitter eines Empfängers bitte nicht wegwerfen, das kann später noch unschätzbare Dienste erweisen.

Die Ultraschallschwinger sind für 40 kHz ausgelegt und arbeiten somit auch bei dieser Frequenz am effektivsten. Dieses Signal generiert ein Arduino Nano.

Der Code

Im Arduino-Sketch wird die meiste Arbeit im setup()-Bereich geleistet. Zuerst werden die Analogports als Ausgang definiert. Anschließend wird der Timer 1 so konfiguriert, dass er im 80-kHz-Rhythmus das Compare Interrupt auslöst. Innerhalb dieses Interrupts werden die Zustände aller Analogports umgekehrt. Die 80 kHz Rechteckspannung ergeben so eine 40-kHz-Vollwelle. Für die loop()-Schleife bleibt dann nichts zu tun übrig.

byte TP = 0b10101010; // jeder 2. Port bekommt das umgekehrte Signal
void setup()
{
 DDRC = 0b11111111; // alle Analogports als Ausgang definieren
  // Timer 1 initialisieren
  noInterrupts(); // Interrupts deaktivieren
  TCCR1A = 0;
  TCCR1B = 0;
  TCNT1  = 0;
  OCR1A = 200; // Compare Match Register setzen(16MHz / 200 = 80kHz Rechteck -> 40kHz Vollwelle )
  TCCR1B |= (1 << WGM12); // CTC mode
  TCCR1B |= (1 << CS10); // Prescaler auf 1 ==> kein prescaling
  TIMSK1 |= (1 << OCIE1A); // Compare Timer Interrupt einschalten
  interrupts(); // Interrupts aktivieren
}
ISR(TIMER1_COMPA_vect)         
{
  PORTC = TP; // den Wert TP an die Ausgänge senden
  TP = ~TP; // TP invertieren für den nächsten Durchlauf
}
 void loop(){
  // hier bleibt  nichts zu tun übrig :-(
}

Den vollständigen Code sowie das Schaltbild gibt es als ZIP-Archiv zum Download.

Schaltung

Theoretisch ist es möglich, unsere beiden Sendermodule direkt an zwei Analogports des Arduino Nano anzuschließen, da sie nur sehr wenig Strom benötigen. Dabei wäre man jedoch auf 5 Volt Spannung begrenzt, was ein Schweben nur sehr eingeschränkt ermöglicht. Zur Verstärkung des Signals verwenden wir eine L293D-H-Bridge, die auch in Stepper-Motor-Treibern Einsatz findet.

Wer die Schaltung mit einem L293D-IC auf einer Lochrasterplatine aufbaut, sollte auf keinen Fall die beiden Kondensatoren vergessen. Andernfalls kann es passieren, dass die Störspannungen, die die Sender verursachen, den Arduino "ausblasen" und immer wieder neu starten lassen.

Schweben lassen

Für die ersten Versuche genügt es, die beiden Sender in einem Abstand von etwa 20 mm unter Zuhilfenahme von beispielsweise einer Dritten Hand zu positionieren. Den genauen Abstand muss man dann durch Probieren ermitteln.

Nur wenn der Abstand genau stimmt, ergibt sich eine stehende Welle, die genügend starke Bereiche mit hohem und niedrigem Luftdruck aufweist. Theoretisch könnte man den benötigten Abstand auch rechnerisch ermitteln:

33000 cm/s Schallgeschwindigkeit / 40000 Hz = 8,25 mm

oder ein Vielfaches davon. Jedoch ist der Rand des Senders nicht gleichbedeutend mit der Fläche, die die Schallwelle erzeugt. Somit bleibt am Ende dann doch trial and error als Methode übrig.

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Wer ein Oszilloskop mit zwei Kanälen zur Hand hat, kann den Abstand auch damit bestimmen. Dazu wird ein Kanal an den Arduino angeschlossen und der zweite mit einem der beiden Sender (dieser muss dabei von der Steuerung getrennt sein). Bei korrektem Abstand sollte dann die Sinuswelle des Ultraschallempfängers genau phasengleich mit dem Rechtecksignal des Arduino sein.

Als Hilfsmittel zum Einfügen der Styroporkügelchen leistet das Gitter eines Empfängers, das an einen Zahnstocher geklebt wird, gute Dienste. Versuche, die Kügelchen mit der Hand oder einer Pinzette einzubringen, scheitern hingegen in der Regel, da dabei die Schallwellen von den Fingern reflektiert werden und die stehende Welle beeinträchtigt beziehungsweise gar zerstört wird.

Bis die ersten Teile schweben, benötigen Sie etwas Geduld:

• Wirkt es, als wollten die Kügelchen schweben, fallen dann aber dennoch herunter, versuchen Sie kleinere Styroporfragmente. Diese müssen auch nicht unbedingt rund sein. In der Tat hatten wir bei unseren Versuchen den Eindruck, dass unregelmäßig geformte Styroporteile weniger Probleme damit bereiten, sie zum Schweben zu bringen.
• Tanzen die Teile wie wild herum, kann ein Verringern der Eingangsspannung helfen. Dabei kann eine Ausgangsspannung von 12 Volt auch mittels in Reihe geschalteter Dioden reduziert werden. Pro Diode reduziert sich die Spannung um etwa 0,7 Volt. Die besten Ergebnisse hatten wir bei Spannungen zwischen 9 und 11 Volt, deshalb ist es praktisch, zur Spannungsversorgung ein regelbares Labornetzteil zu verwenden.
• Schwebt erst einmal ein Styroporteil, so können in weiteren Knoten der stehenden Welle weitere Teile platziert werden – das erhöht die Faszination des Geräts enorm!

Nachbauten

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Mehr Infos

Ultraino – Schweben im Array

Einen ganz ähnlichen Ansatz zur Ultraschall-Levitation verfolgt das Open-Source-Projekt Ultraino – bestehend aus einem Arduino-Shield, Software und Arrays aus Ultraschallwandlern. Auf Instructables gibt es eine ausführliche Anleitung dazu. Das dort beschriebene System arbeitet mit vielen Ultraschallwandlern aus Abstandssensoren und findet in einem Gehäuse aus dem 3D-Drucker Platz. Ganz am Ende der Anleitung (Schritt 25) wird noch eine Variante beschrieben, die nur mit zwei Ultraschallgebern auskommt, ähnlich wie das hier beschriebene Projekt. Zu Ultraino gibt es auch das wissenschaftliche Paper Ultraino: An Open Phased-Array System for Narrowband Airborne Ultrasound Transmission zu den Hintergründen des Systems – komplett online nachzulesen. Interessant ist auch das Paper TinyLev: A multi-emitter single-axis acoustic levitator.

• In der nächsten Make-Ausgabe 2/18, die ab dem 19. April 2018 am Kiosk liegt, beschreiben wir ab Seite 82 zwei alternative Bauformen für Ultraschall-Levitations-Apparate, von denen einer mit dem Transducer eines ausgeschlachteten Ultraschall-Reinigungsgeräts arbeitet. Im Heft gibt es auch noch etwas detailliertere Erläuterungen zum Arduino-Code.
  

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