自古以來,人類對懸浮在半空都感到好奇,更追尋學鳥兒般飛上天空。之後萊特兄弟在1903年進行了人類首次用重於空氣的航空器以持續並且受控的動力飛行,被廣泛譽為現代飛機的發明者。氣動學盛行之後,人類並沒有放棄追尋各類懸浮在半空的技術,其中以磁主以懸浮為主,當中可以分為永磁懸浮、電磁懸浮和超導懸浮三大類。現今所看到的磁浮列車就是以此技術為重點技術,我相信有不少同學也在STEM活動中製作過磁浮列車。今天我為大家介紹多一種懸浮技術,它就是聲懸浮。

 

此活動適合中學生,高小學生。而學術方面更可用不同層次來配合不同程度學生的需要。

 

聲波的傳播是藉著空氣的壓縮擾動,或在比較多的情況是透過任何物質的壓縮擾動。 在壓縮波或稱縱波裏,在聲波中粒子的振動是沿著波的傳播方向。*https://www.eduhk.hk/has/phys/

 

由於空氣密度大的地方壓力強度就更大,而密度小的地方壓力強度就更小,於是在聲場中的物件就會受到壓力強度差異而產生一鼓力。如上圖中,藍球左邊的壓力強於右邊。所以會受到一個向左的力。相反綠球所處的位置則左邊壓力強於右邊,所以會受到一個向右的力。因物件受到左右的力就出現了振動的現像,那就是聲波的頻率。

 

如果把上圖向右轉90度,你會發現如果空氣疏密分佈不是隨時間移動,則圖中的圓點會束縛在密度比較疏的位置。因為此時無論是向上或是向下,都會受到一個相反的作用力,使它回到這個位置上。這樣就可實現懸浮了。可是我們不可能控制空氣疏密分佈和時間⋯⋯ 那我們就要看看波頻的一種特性 (*高小和初中這部份可略過)。

 

 

什麼是駐波:為兩個波長、週期、頻率和波速皆相同的正弦波相向行進干涉而成的合成波。與行波不同,駐波的波形無法前進,因此無法傳播能量,故名之。以下黑線就是駐波是兩列反向傳播的波(紅線和藍線)的疊加。

駐波有一些位置的振幅永遠為零,這些地方叫作「波節」,而那些振幅最大的地方稱為「波腹」。兩個波節間的距離,正好是原來聲波波長的一半。如果利用駐波去懸浮物件,那物件一定要停在波節位置。 那就是今次懸浮的理論了! 今次我還找了一名女程式員吳佩如為助手,幫我製作此裝置。

 

我們今次利用以下材料:

1. 首先把HC-SR04超聲波測距模塊拆下並固定

因為聲波在空氣中的速度大約是340 m/s,估算波長:

波長 = 340,000 (mm/s) / 40,000 (Hz) = 8.5 mm

兩個波節之間間距約為4.25 mm,我們要用約3倍波長,即25.5 mm來做超聲波測距模塊的間距。

 

2. 跟著以下圖接上Arduino。

3. 9V 電盒接在GND 和VIN
4. 把以下程式load 到Arduino

boolean toggle0 = 0;
void setup(){

DDRC = 0b00001111; //A0 to A3 聲頻輸出
PORTC = 0b00000000; 

cli();//stop interrupts

//set timer2 interrupt at 80kHz

  TCCR2A = 0;
  TCCR2B = 0;
  TCNT2  = 0;
  OCR2A = 24;//   (16*10^6) / (80000*8) - 1 (must be <256)   // 這個便是聲頻了,你可試較大數字聲音更刺耳
  TCCR2A |= (1 << WGM21); 
  TCCR2B |= (1 << CS21);   
  TIMSK2 |= (1 << OCIE2A);  // 製作波頻

  sei();

} //end setup

ISR(TIMER2_COMPA_vect){
//製作兩組40kHz聲波pin A0-A1 and A2-A3      
//80kHz/2 = 40kHz
 if (toggle0){
    PORTC=0x05; //01 01 輸出 
    toggle0 = 0;
  }
  else{
    PORTC=0x0A; //10 10 輸出
    toggle0 = 1;
  }
}

void loop(){ 

}

 

成品影片: