Исследования возможности создания стоячих ультразвуковых волн

VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Исследования возможности создания стоячих ультразвуковых волн

Костенко  М.И. 1
1Головной Сетевой Координационный Центр Российской научно-социальной программы для молодежи и школьников «Шаг в будущее» при МБОУ «СОШ №1» в г. Верхний Уфалей
Красавин  Э.М. 1
1Головной Сетевой Координационный Центр Российской научно-социальной программы для молодежи и школьников «Шаг в будущее» при МБОУ «СОШ №1» в г. Верхний Уфалей
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение.

В начале 1930-х годов шведский авиаинженер Хенри Кьельсон наблюдал в Тибете, как монахи возводили храм на скале высотой 400 метров. Камень - диаметром примерно полтора метра - дотягивался яком до небольшой горизонтальной площадки, расположенной на 100 метровом расстоянии от скалы. Потом камень сваливали в яму, соответствующую размерам камня и глубиной 15 сантиметров. В 63 метрах от ямы (инженер точно замерил все расстояния) стояли 19 музыкантов, а за ними 200 монахов, располагавшихся по радиальным линиям - по нескольку человек на каждой. Угол между линиями составлял пять градусов. Камень лежал в центре. У музыкантов было 13 больших барабанов, подвешенных на деревянных перекладинах и обращенных звучащей поверхностью к яме с камнем. Между барабанами в разных местах размещались шесть больших металлических труб, тоже направленных к яме. Около каждой трубы стояло по два музыканта, дующих в нее по очереди. По специальной команде весь этот оркестр принимался громко играть, а хор монахов - петь. И вот, как рассказывал очевидец, через четыре минуты, когда звук достигал своего максимума, валун в яме сам собой начинал раскачиваться и вдруг улетал по параболе прямо на вершину скалы. Таким способом, согласно рассказу Хенри, монахи возносили к строящемуся храму пять-шесть огромных валунов каждый час. Физики, в общем, возможность существования управляемой акустической левитации допускали давно. Мало того, ученые освоили технологию управления ею сначала в одной, а затем и в двух плоскостях. А специалистам из Токийского университета удалось заставить с помощью звуковых волн парить в пространстве небольшие предметы разной формы и массы. Звуковые волны воздействуют на предметы любой формы, исполненные из любых материалов. Единственное ограничение акустической левитации заключается в том, что диаметр объекта не должен превышать половину длины волны звуковых колебаний. Заинтересовавшись подобными явлениями, мы выдвинули рабочую гипотезу о возможности создания в лабораторных условиях установки, позволяющей проводить эксперименты со стоячей ультразвуковой волной. Актуальность этого вопроса заключается в исследовании новой области применения звуковых волн. Объектом исследования, в данном случае, являются свойства стоячей ультразвуковой волны, а предметом исследования способы её создания.

Цель и задачи работы.

Целью работы является – разработка и создание ультразвуковой установки, способной генерировать стоячую ультразвуковую волну и изучение возможностей левитации небольших предметов в этой волне.

Цель работы предполагала решение следующих задач.

Изучение литературных и интернет – источников по вопросам получения ультразвуковых колебаний, свойствам ультразвуковых колебаний, возможностям их применения.

Изучение литературных и интернет – источников объясняющих принцип создания стоячей ультразвуковой волны и её свойства.

Разработка и создание мощного ультразвукового генератора с системой излучателей для проведения дальнейших исследований свойств, стоячей ультразвуковой волны.

Экспериментальные исследования по возможности левитации небольших предметов в ультразвуковой волне.

Обобщение экспериментальных данных, полученных при проведении исследований по возможности ультразвуковой левитации.

Звуковая волна и её свойства.

Все мы наблюдали волны, которые расходятся всё более и более широкими кругами, если в воду брошен камень. Леонардо да Винчи писал в XV веке о волнах: «Импульс гораздо быстрее воды, потому что многочисленны случаи, когда волна бежит от точки возникновения, а вода не двигается с места». Движение волн сильно отличается от движения частиц воды. Волны не имеют ни запаха, ни цвета, ни формы, представляют собой процесс, который мы можем описать математически и отнести к физическим явлениям. Волна это величина, которая изменяется физически и имеет свойство меняться и перемещаться, при этом удаляется от места появления и колеблется во внутреннем пространстве ограниченной области; это возмущение, которое может расширяться в свободном пространстве. Волны обладают свойствами, одно из которых - способность передавать энергию из одной точки в другую, другое свойство - линейность, это способность колебаний одной волны не влиять на колебания другой (проходить параллельно). Волны способны распространяться в любой среде. Они подразделяются следующим образом: упругие, стоячие, ударные, бегущие, механические, колебательные, магнитные. Несмотря на отличия, эти волны имеют много общих черт. Волны, которые изменяется периодически вдоль оси распространения, называются продольными волнами. Если колебания происходят перпендикулярно оси распространения волны (как у электромагнитных волн), то такие волны называются поперечными. Звук это — результат колебаний частиц воздуха, возбужденных колебаниями. Форма звуковых колебаний зависит от источника звука. Такие колебания характеризуются амплитудой, частотой распространения колебаний и длиной волны (Приложение лист I, рис. 1-2). Амплитудой в общем случае называют максимальное отклонение тела от положения равновесия. Так как звуковая волна состоит из чередующихсяобластей высокого и низкого давления, то её часто рассматривают как процесс распространения колебаний давления. Так называемой амплитуде давления воздуха в волне. От амплитуды зависит громкость звука. Чем она больше, тем громче звук. Частотой волны называют количество колебаний в секунду.

f = 1/Т

где, Т – период колебаний, промежуток времени, за который совершается одно полное колебание. Чем больше период, тем меньше частота, и наоборот. Единица измерения частоты в международной системе измерений СИ – герц (Гц). 1 Гц – это одно колебание в секунду. Длиной волны называют расстояние между двумя ближайшими точками гармонической волны, находящимися в одинаковой фазе, например, между двумя областями сжатия либо разряжения. Обозначается как ( ƛ). За время, равное одному периоду, волна проходит расстояние, равное её длине. Скорость распространения волны:

v = ƛ / T, так как T = 1/f, то v = ƛ•f

Звуковая волна является продольной волной сжатия и разрежения. Роберт Бойль в 1660 году поместил часы в стеклянный сосуд и откачал из него воздух, он не услышал звука. Опыт доказывает, что для распространения звука необходима среда. От частоты колебаний зависит высота тона. Чем выше частота, тем выше тон звука. Человеческое ухо способно воспринимать не все звуковые волны, а только лишь те, которые имеют частоту от 16 до 20 000 Гц. Именно эти волны и считаются звуковыми. Волны, частота которых ниже 16 Гц, называют инфразвуковыми, а свыше 20 000 Гц – ультразвуковыми (Приложение лист II, рис. 3). Человек не воспринимает ни инфразвуковые, ни ультразвуковые волны. Но животные и птицы способны слышать ультразвук. Например, обыкновенная бабочка различает звуки, имеющие частоту от 8 000 до 160 000 Гц. Диапазон, воспринимаемый дельфинами, ещё шире, он колеблется от 40 до 200 тысяч Гц.

Ультразвуковые волны.

Ультразвук это вид упругих механических волн высоких частот, не воспринимаемых человеческим ухом, но встречающийся в природе. Это упругие волны с частотами от 20 кГц до 1 ГГц, их подразделяют на три диапазона: ультразвук низких частот (1,5·104-105 Гц), ультразвук средних частот (1,5·105 – 107) Гц, ультразвук высоких частот (1,5·107 – 109) Гц. Каждый из этих диапазонов характеризуется своими специфическими особенностями генерации, приема, распространения и применения. Длина волны ультразвука высокой частоты в воздухе составляет (3,4•10-5 - 3,4•10-7 м), что значительно меньше длины волны звуковых волн (Приложение лист II, рис. 4). Из-за малых длин волн ультразвук, как и свет, может распространяться в виде строго направленных пучков большой интенсивности. Ультразвук в газах, и в частности в воздухе, распространяется с большим затуханием. Жидкости и твердые тела (в особенности монокристаллы) представляют собой хорошие проводники ультразвука, затухание в них значительно меньше.

Генерируют ультразвук механическими и электромеханическими устройствами. Ультразвук широко применяется в промышленности, биологии и медицине. С помощью ультразвуковых приборов измеряют размеры изделий (ультразвуковые толщиномеры), определяют уровни жидкостей в емкостях, недоступных для прямого измерения. Преобразуя ультразвуковые колебания в электрические, а последние в световые, оказывается возможным увидеть те или иные предметы в непрозрачной для света среде (медицинская ультразвуковая диагностика), кроме того ультразвук применяют в ультразвуковой хирургии, микромассаже тканей, диагностике.

Если при распространении ультразвуковых волн в среде не происходит их отражения, образуются бегущие волны. В результате потерь энергии колебательные движения частиц среды постепенно затухают, и чем дальше расположены частицы от излучающей поверхности, тем меньше амплитуда их колебаний. Если же на пути распространения ультразвуковых волн имеются ткани с разными удельными акустическими сопротивлениями, то в той или иной степени происходит отражение ультразвуковых волн от пограничного раздела. Наложение падающих и отражающихся ультразвуковых волн может приводить к возникновению стоячих волн (Приложение лист II - III, рис. 5-6). Для возникновения стоячих волн расстояние от поверхности излучателя до отражающей поверхности должно быть кратным половине длины волны. Необходимым условием образования стоячих волн является наличие границ, отражающих падающие на них волны. Явления такого рода встречаются довольно часто. Так, каждый тон звучания любого музыкального инструмента возбуждается стоячей волной. Эта волна образуется либо в струне (струнные инструменты), либо в столбе воздуха (духовые инструменты). Отражающими границами в этих случаях являются точки закрепления струны и поверхности внутренних полостей духовых инструментов. Каждая стоячая волна обладает определенными свойствами. Вся область пространства, в которой возбуждена волна, может быть разбита на ячейки таким образом, что на границах ячеек колебания полностью отсутствуют. Точки, расположенные на этих границах, называются узлами стоячей волны. Фазы колебаний во внутренних точках каждой ячейки одинаковы. Колебания в соседних ячейках совершаются навстречу друг другу, то есть в противофазе. В пределах одной ячейки амплитуда колебаний изменяется в пространстве и в каком-то месте достигает максимального значения. Точки, в которых это наблюдается, называются пучностями стоячей волны (Приложение лист III, рис. 7). И ещё, характерным свойством стоячих волн является дискретность спектра их частот. В стоячей волне колебания могут совершаться только со строго определенными частотами, и переход от одной из них к другой происходит скачком. Стоячая волна не переносит энергию. Дважды за период происходит превращение энергии стоячей волны то полностью в потенциальную энергию, сосредоточенную в основном вблизи узлов волны, то полностью в кинетическую энергию, сосредоточенную в основном вблизи пучностей (области повышенного и пониженного давления) волны. В результате происходит переход энергии от каждого узла к соседним пучностям и обратно. Средний по времени поток энергии в любом сечении волны равен нулю. Максимально плотная зона может выступать движущей силой акустической левитации (Приложение лист III, рис. 8).

Генератор ультразвуковой стоячей волны.

Для создания устройства левитации в стоячей звуковой волне необходимы: преобразователь, который создает звуковое давление и рефлектор или отражатель. Обе части оснащаются изогнутым профилем (ультразвуковая линза) для лучшей акустики. Рефлектор распространяет волну продольно, параллельно направлению преобразователя. Когда волна отражается от предмета, ее угол равен углу падения, это второе свойство устройства. Если рефлектор разместить на необходимом расстоянии с преобразователем, образуются именно стоячие волны. Если направление звукового давления будет параллельным гравитационной линии, создастся область уплотнения.

1. Аппаратная часть установки.

Для питания ультразвуковых преобразователей колебательных систем используются источники электрической энергии - генераторы, обеспечивающие преобразование энергии промышленной частоты (50 Гц) в энергию электрических колебаний ультразвуковой частоты. Все ультразвуковые генераторы выполняются по многокаскадной схеме. Каждый каскад усиления генераторов работает в режиме переключения. Для обеспечения наилучших условий работы транзисторы включаются с общим эмиттером. Выходные каскады генераторов выполняются по двухтактным мостовым схемам, обеспечивающим минимальные искажения усиливаемых сигналов и выходные мощности до 500 Вт. Одним из примеров, подобных генераторов, является устройство, схема которого представлена в приложении (лист IV, рис. 9). Основу схемы ультразвукового генератора составляют два генератора импульсов прямоугольной формы и мостовой усилитель мощности (генератор с независимым возбуждением). На логических элементах (DD1.3, DD1.4) выполнен перестраиваемый генератор импульсов формы меандр ультразвуковой частоты. Его рабочая частота зависит от ёмкости конденсатора (С3) (1000-2200 пФ) и общего сопротивления резисторов (R6, R4). Чем сопротивление этих резисторов больше, тем частота меньше. На элементах (DD1.1, DD1.2) сделан НЧ генератор с рабочей частотой около 1 Гц. Оба генератора связаны между собой через резисторы (R3, R4). Конденсатор (С2) предназначен для того, чтобы частота высокочастотного генератора изменялась плавно. Если конденсатор (С2) зашунтировать переключателем (SA1), то частота высокочастотного генератора будет постоянной. На микросхеме (DD2) и полевых транзисторах (Р-канальные - IRF5305, IRF9Z34S, IRF5210 п-канальные - IRF511, IRF541, IRF520, IRFZ44N, IRFZ48N) выполнен мостовой усилитель мощности импульсов. Инверторы микросхемы раскачивают двухтактные повторители на полевых транзисторах. Использование сигнала прямоугольной формы приводит к богатому гармониками акустическому излучению. В качестве излучателей ультразвука используется мощный пьезокерамический излучатель. В качестве микросхем можно использовать 564ЛА7, CD4011A, К561ЛЕ5, КР1561ЛЕ5, CD4001B. Дроссель (L1) — любой миниатюрный индуктивностью 220 - 1000 мкГн. Резисторы (R7, R8) — самодельные проволочные. Переменный резистор СП3-30. При настройке генератора переменный резистор (R5) устанавливается в среднее положение, контакты выключателя (SA1) замыкаются, подбором ёмкости конденсатора (С3) и сопротивления резистора (R6) устанавливается частота генератора на (DD1.3, DD1.4) около 30 кГц. При размыкании контактов (SA1) подбором сопротивлений резисторов (R2, R3) и (R4) следует установить девиацию ультразвуковой частоты от 24 кГц до 35 - 45 кГц. Источник питания должен быть рассчитан на ток не менее 2 (А). Напряжение питания может быть от 11 до 13 вольт (Приложение лист IV, рис. 9 - 11). Более простой, первый каскад, генератора можно собрать с использованием микросхемы CD4047. Микросхема 4047 очень широко применяется в аппаратуре. Она содержит экономичный мультивибратор-автогенератор, который снабжён развитой логикой управления. Мультивибратор имеет входы запуска +TRG и —TRG, входы включения автогенерации АГ и АГ, а также вход перезапуска RT (retriggering). Имеется внутренний делитель частоты на 2. От этого делителя есть выходы Q и Q. На микросхеме D1 (CD4047) сделан генератор симметричных противофазных импульсов. Микросхема CD4047 представляет собой сочетание элементов-инверторов для построения мультивибратора и триггера - формирователя противофазных сигналов правильной симметричной формы (Приложение лист V, рис. 12). D1 генерирует противофазные импульсы частотой около 40 кГц, частота задана цепью R1-C1. Противофазные импульсы снимаются с выводов 10 и 11 D1 и поступают на ключи полевых транзисторов (Приложение лист V, рис. 13 - 14). Самым простым вариантом изготовления ультразвукового генератора является использование в качестве задающего генератора платформы Ардуино. Необходимым условием, в этом случае, является умение работать с платформой. Необходимо разработать и записать программу «Генератор» и в ней задать определённые параметры частоты. Разработанная программная база представлена в приложении (лист VI, рис. 15). Положительным преимуществом этого подхода в изготовлении генератора, является стабилизация характеристик частоты. В качестве выходного каскада, можно использовать драйвер двигателей на микросхеме L298N. Это мощный выходной каскад, позволяющий напрямую подключить ультразвуковые преобразователи значительной мощности. Общая блочная схема генератора представлена в приложении (лист VI, рис. 16).

2. Излучатель.

В качестве излучателя, на таких рабочих частотах, можно использовать только пьезоэлектрические излучающие элементы. Пьезокерамический излучатель состоит из металлической пластины, на которую нанесён слой пьезоэлектрической керамики, имеющий на внешней стороне токопроводящее напыление (Приложение лист VII, рис.17-18). Пластина и напыление являются двумя контактами. Для увеличения громкости звука к металлической пластине может крепиться небольшой рупор в виде металлического или пластикового купола с отверстием. В качестве рупора также может использоваться углубление в корпусе устройства, в котором используется пьезоизлучатель. Принцип их действия основан на пьезоэлектрическом эффекте, открытом братьями Пьером и Жаком Кюри еще в 1880 году, и заключающемся в том, что в некоторых кристаллах (кварц, турмалин, сегнетова соль и др.) под действием приложенных механических сил на их гранях образуются электрические заряды. В зависимости от вида кристалла, заряды могут появиться и при сдвиге, изгибе и кручении. Кроме вышеописанного «прямого» эффекта существует и обратный эффект (который был теоретически предсказан в 1881 году Липманом и экспериментально подтвержден в работах Кюри). Если приложить электрическое напряжение к обкладкам пьезокристалла, то кристалл начнет деформироваться: удлиняться, изгибаться, скручиваться. Идея использовать такие кристаллы в конструкции электроакустических преобразователей реализована в период 1920-1940 годов. Достаточно мощные пьезоэлектрические головки (до 60 Вт.) (Приложение лист VII, рис.17) можно найти в ультразвуковых ваннах, применяемых для очистки деталей, или в медицинской технике (аппараты для ультразвуковой ингаляции). При изготовлении излучателя с отражающим экраном достаточно применить одну излучающую головку. При использовании малогабаритных пьезоизлучателей (например, TCT40-16T 40 кГц) (Приложение лист VII, рис.18) их нужно собрать в радиальный блок 20-30 штук. Рисунки конструкции акустических систем с отражателем и двумя акустическими линзами приведены в приложении (лист VII – VIII, рис 19-20).

Эксперименты по получению стоячей звуковой волны.

В наиболее простой конфигурации акустический левитатор состоит из пары компонентов, излучателя и отражателя. Обычно рефлектор помещают вертикально над излучателем, согласовав расстояние с частотой звука, чтобы порождалась стоячая волна. В нашем случае, применяются два излучателя, смонтированные в акустические линзы (Приложение лист VIII – IX, рис. 20-23). Если звук, отражаемый направленными друг на друга акустическими линзами, оказывается, согласован с сигналами излучателя, то в интерференционной картине могут порождаться стоячие волны. Как и в случае поперечных волн, стоячие звуковые волны имеют узлы, или области минимального давления, и антиузлы, иначе именуемые пучностями, соответствующие областям максимального давления. Именно благодаря узлам стоячей волны и возможен феномен акустической левитации. Распространение звуковых волн в такой установке идет параллельно направлению силе тяжести. И в разных участках стоячей волны силы давления действуют либо постоянно вниз, либо постоянно вверх, либо уравновешивают друг друга в узлах. Эти уравновешивающие силы и зоны давления можно визуально наблюдать с помощью тонкой полоски бумаги. Если её конец помещать в зону действия установки, то в определённых областях он будет отклонятся (вверх или вниз), а в других случаях будет оставаться неподвижным (слегка подрагивая). На основании этого опыта, замеряя расстояния в зоне излучателей, можно построить полную интерференционную картину всей области между излучателями (Приложение лист IX, рис. 24).

Условия создания стоячей ультразвуковой волны. Для создания максимально возможного уровня сигнала, сигнал генератора должен иметь частоту, равную или близкую к резонансной частоте преобразователя (40 кГц). Схема потребляет больше тока, когда генерирует частоту, близкую к резонансной частоте преобразователя. При настройке установки, резонансную частоту можно проверить по потребляемому току (примерно 1 А). Поскольку, в нашей установке , частота генератора заложена в программе, при меньшем потреблении тока необходима корректировка программы.

При работе ультразвуковых излучателя с частотой 40 кГц, длина волны при нормальных условиях составляет 0,87 см. От этого зависит оптимальная регулировка расстояния между излучателями. Это расстояние должно быть кратным половине длины волны. Точную настройку расстояния между излучателями, можно сделать регулировочными гайками, перемещающими верхний излучатель по резьбовым шпилькам. При точной настройке, бумажная полоска в центральной части установки, находится в центральном положении, не отклоняясь в сторону, какого либо излучателя. Акустическая левитация — устойчивое положение весомого объекта в стоячей акустической волне. Это явление известно с 1934 года, когда его теоретически доказал Л. Кингом, позже в 1961 году, выводы о возможности явления сделаны Л.П. Горьковым. Левитация, то есть своеобразная область невесомости, в которую можно поместить материальный объект, появляется в данном случае в связи с чередованием областей высокого и низкого давления. Звуковые волны, распространяющиеся в воздухе, представляют собой потоки молекул. Волны, накладываясь друг на друга, в стоячей акустической волне, за счёт потоков молекул создают разреженные зоны, в которых воздействие гравитации существенно снижается. Именно благодаря этому попадающий в стоячую волну предмет может фактически зависать, то есть терять свой вес. Эти области, можно легко зафиксировать, с помощью той же бумажной полоски. Помещая лёгкие предметы в эти области, мы наблюдаем явление акустической левитации (Приложение лист IX, рис. 22-23). Материал предмета не играет роли. Значение имеет размер – величина предмета должна быть не более величины полуволны. Соответственно предметы, удерживаемые стоячей волной, имеют размеры не более 4 мм. Интересной особенностью нашей модели оказалось наличие не только центральной зоны левитации. В области работы излучателей возникают площадки зон разряжения. Предметы, помещённые на эти площадки, левитируют не только в центральной зоне, но и в боковых зонах (Приложение лист X, рис. 25) . Эта особенность хорошо видна на фотографиях приложения (лист IX, рис. 22-23).

Заключение.

Акустическая левитация является перспективным направлением исследований в практической технологической сфере, так как она почти не зависит от используемых в работе материалов. С другой стороны, пока что не удаётся достигнуть звуковой левитации с предметами существенной массы, вес которых исчисляется килограммами. Для удержания в состоянии невесомости материальных объектов в данном случае требуются сильные звуковые волны. Поэтому акустическая левитация пока что не слишком устойчива - если поместить в стоячую волну достаточно массивный предмет, то для его поддержания потребуются столь мощные звуковые волны, что их интенсивность может просто разрушить объект.

Работа над этой темой позволила.

Выяснить теоретические вопросы по свойствам ультразвуковых волн и принципам получения ультразвуковых колебаний, выяснить особенности звуковых волновых процессов, происходящих в воздушной среде.

Освоить теоретические вопросы построения схемных решений звуковых генераторов и расчёт их частотных характеристик.

Освоить практические методы реализации аппаратной части проекта и основы системного программирования микроконтроллеров.

Проведённые экспериментальные исследования, на созданной установке, доказали возможность получения в лабораторных условиях стоячей ультразвуковой волны, способной осуществлять левитацию небольших предметов.

В ходе экспериментальных исследований, определены области возможной левитации на конкретной лабораторной модели. В ходе проведения экспериментов определены, размерные соотношения левитирующих предметов, в зависимости от длинны волны.

Обобщение экспериментальных данных, полученных при проведении исследований по возможности ультразвуковой левитации в стоячей ультразвуковой волне доказали её полную осуществимость в рамках лабораторного эксперимента.

Список использованной литературы и интернет – источников.

1. Бергман, Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. - М.: Изд-во иностранная литература, 1967.- 726 с.

2. Клюкин, И. И. Удивительный мир звука. – Л.: Судостроение, 1978.- 168с.

3. Мякишев, Г.Я. Физика. Колебания и волны. 11 класс: учебник для углубленного изучения физики / Г.Я. Мякишев, А.З. Синяков. - М.: Дрофа, 2010.-288с.

4. Скучик, Е. Основы акустики (пер. с англ. в 2-х томах) - М.: Мир, 1976.

5. Хорбенко, И. Г. Звук. Ультразвук. Инфразвук .- М.: Изд-во Знание, 1986.- 190с.

6. ALL-HE мастерим своими руками. Режим доступа: https://allhe.ru/publ/svoimi_rukami/ehlektronika/ultrazvukovaja_pushka_svoimi_rkami/2-1-0-459

7.Arduino.ru. Режим доступа : http://arduino.ru/forum/proekty/generator-s-reguliruemoei-chastotoi-na-arduino

8.Texnic ru. Режим доступа : http://www.texnic.ru/konstr/raznoe/razn019.htm –

9. Видео уроки в интернете сайт InternetUrok.ru Режим доступа: https://interneturok.ru/lesson/physics/9-klass/mehanicheskie-kolebaniya-i-volny/zvukovye-volny-istochniki-zvuka-harakteristiki-zvuka-ivanova-m-g

10.Микросхема 4047. Режим доступа: http://www.microshemca.ru/4047/

11. Невероятно, но факт chuchotezvous.ru. Режим доступа: http://www.chuchotezvous.ru/science-evolution/1139.html

12. Радиоэлектроника. схемы, статьи и программы для радиолюбителей Режим доступа : http://radiostorage.net/4092-vysokovoltnyj-preobrazovatel-napryazheniya-na-cd4047-120v-10ma.html - CD4047

13.Сайт паяльник. Режим доступа : http://cxem.net/arduino/arduino62.php -

14. Энциклопедия Кругосвет Универсальная научно-популярная энциклопедия. Режим доступа : http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/ZVUK_I_ AKUSTIKA.html

15. Энциклопедия физики и техники. Режим доступа: http://femto.com.ua/articles/part_2/4203.html

Приложение

Рис. 1. Свойства звуковой волны.

Рис. 2. Энергия звуковой волны..

Рис. 3. Диапазоны звуковой волны.

Рис. 4. Специфические особенности ультразвуковой волны.

Рис. 5. Схема образования стоячей ультразвуковой волны.

Рис. 6. Уравнение стоячей звуковой волны.

Рис. 7. Визуализация стоячей звуковой

Рис. 8. Пример акустической волны. левитации.

Рис. 9. Схема ультразвукового генератора.

Рис. 10. Конструкция генератора.

Рис. 11. Настройка генератора в программе Multisim WEWB32.

Рис. 12. Генератор симметричных противофазных импульсов.

Рис. 13. Схема генератора УЗЧ.

Рис. 14. Макетная плата генератора.

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 prescalling

TIMSK1 |= (1 << OCIE1A); // Compare Timer Interrupt einschalten

interrupts(); // Interrupts aktivieren

}

ISR(TIMER1_COMPA_vect)

{

PORTC = TP; // Den Wert TP an die Ausgange senden

TP = ~TP; // TP invertieren für den nächsten durchlauf

}

void loop(){

// hier bleibt nichts zu tun übrig:-(

}

Рис. 15. Программный код «Генератор 40 000 Герц.

Рис. 16. Блочная схема генератора УЗЧ с использованием платформы Ардуино.

Рис. 18. Малогабаритный пьезоизлучатель TCT40-16T 40 кГц.

Рис. 19.Акустическая система с отражателем и мощным УЗ – излучателем.

Рис. 20 Акустическая система с маломощными УЗ – излучателями.

Рис. 21. Генератор опытной установки.

Рис. 22. Эксперименты на изготовленной модели.

Рис. 23.Настройка генератора. Рис. 24. Визуализация стоячей волны

Рис. 25. Найденные, экспериментальным путём, площадки левитации конкретной модели излучателя.

Просмотров работы: 302