Construire un dispositif de lévitation ultrasonique avec Arduino – Guide étape par étape

Composants et fournitures

Arduino UNO	×	1
Capteur ultrasonique HC-SR04 (générique)	×	1
Pilotes de moteur double pont en H SparkFun L298	×	1
Batterie 9V (générique)	×	1

Outils et machines nécessaires

• Fil à souder, sans plomb
• Fer à souder (générique)
• Kit 10 fils de connexion, 5 cm de long

Applications et services en ligne

• Arduino IDE

À propos de ce projet

Il est très intéressant de voir quelque chose flotter dans l'air ou l'espace libre comme des vaisseaux spatiaux extraterrestres. C'est exactement ce qu'est un projet d'antigravité. L'objet (basiquement un petit morceau de papier ou de polystyrène) est placé entre deux transducteurs ultrasoniques qui génèrent des ondes sonores acoustiques. L'objet flotte dans l'air grâce à ces ondes qui semblent défier la gravité.

Dans ce tutoriel, discutons de la lévitation ultrasonique et construisons une machine de lévitation en utilisant Arduino.

Étape 1 : Comment est-ce possible ?

Pour comprendre comment fonctionne la lévitation acoustique, vous devez d'abord connaître un peu la gravité, l'air et le son.

Premièrement, la gravité est une force qui fait que les objets s'attirent les uns les autres. Un objet énorme, comme la Terre, attire facilement les objets qui lui sont proches, comme des pommes pendues aux arbres. Les scientifiques n'ont pas encore décidé exactement ce qui cause cette attraction, mais ils croient qu'elle existe partout dans l'univers.

Deuxièmement, l'air est un fluide qui se comporte essentiellement de la même manière que les liquides. Comme les liquides, l'air est composé de particules microscopiques qui se déplacent les unes par rapport aux autres. L'air se déplace aussi comme l'eau – en fait, certains tests aérodynamiques ont lieu sous l'eau au lieu de dans l'air. Les particules dans les gaz, comme celles qui composent l'air, sont simplement plus éloignées et se déplacent plus vite que les particules dans les liquides.

Troisièmement, le son est une vibration qui voyage à travers un milieu, comme un gaz, un liquide ou un objet solide. Si vous frappez une cloche, la cloche vibre dans l'air. Lorsqu'un côté de la cloche se déplace vers l'extérieur, il pousse les molécules d'air à côté de lui, augmentant la pression dans cette région de l'air. Cette zone de pression plus élevée est une compression. Lorsque le côté de la cloche revient en arrière, il écarte les molécules, créant une région de pression plus faible appelée raréfaction. Sans ce mouvement de molécules, le son ne pourrait pas voyager, c'est pourquoi il n'y a pas de son dans le vide.

Lévitateur acoustique

Un lévitateur acoustique de base a deux parties principales – un transducteur, qui est une surface vibrante qui produit le son, et un réflecteur. Souvent, le transducteur et le réflecteur ont des surfaces concaves pour aider à focaliser le son. Une onde sonore s'éloigne du transducteur et rebondit sur le réflecteur. Trois propriétés de base de cette onde voyageuse et réfléchissante aident à maintenir des objets en suspension dans les airs.

Lorsqu'une onde sonore se réfléchit sur une surface, l'interaction entre ses compressions et raréfactions cause des interférences. Les compressions qui rencontrent d'autres compressions s'amplifient mutuellement, et les compressions qui rencontrent des raréfactions s'annulent. Parfois, la réflexion et l'interférence peuvent se combiner pour créer une onde stationnaire. Les ondes stationnaires semblent se déplacer d'avant en arrière ou vibrer par segments plutôt que de voyager d'un endroit à l'autre. Cette illusion d'immobilité est ce qui donne leur nom aux ondes stationnaires. Les ondes sonores stationnaires ont des nœuds définis, ou zones de pression minimale, et des antinœuds, ou zones de pression maximale. Les nœuds d'une onde stationnaire sont la raison de la lévitation acoustique.

En plaçant un réflecteur à la bonne distance d'un transducteur, le lévitateur acoustique crée une onde stationnaire. Lorsque l'orientation de l'onde est parallèle à l'attraction de la gravité, certaines parties de l'onde stationnaire ont une pression descendante constante et d'autres une pression ascendante constante. Les nœuds ont très peu de pression.

Nous pouvons donc placer de petits objets là et les faire léviter.

Étape 2 : Composants nécessaires

• Arduino Uno / Arduino Nano ATMEGA328P
• Module ultrasonique HC-SR04
• Module pont en H L293D / L298
• Circuit imprimé commun
• Batterie 7,4V ou alimentation
• Fils de connexion.

Étape 3 : Schéma de circuit

Le principe de fonctionnement du circuit est très simple. Le composant principal de ce projet est un Arduino, le circuit intégré de pilotage de moteur L298, et le transducteur ultrasonique récupéré du module capteur ultrasonique HC-SR04. Généralement, le capteur ultrasonique transmet une onde acoustique d'un signal de fréquence entre 25 kHz et 50 kHz, et dans ce projet, nous utilisons le transducteur ultrasonique HC-SR04. Ces ondes ultrasoniques créent les ondes stationnaires avec nœuds et antinœuds.

La fréquence de fonctionnement de ce transducteur ultrasonique est de 40 kHz. Le but d'utiliser Arduino et ce petit morceau de code est de générer un signal d'oscillation haute fréquence de 40 kHz pour mon capteur ou transducteur ultrasonique et cette impulsion est appliquée à l'entrée du circuit intégré de pilotage de moteur double L293D (depuis les broches Arduino A0 et A1) pour piloter le transducteur ultrasonique. Finalement, nous appliquons ce signal d'oscillation haute fréquence de 40 kHz avec la tension de pilotage à travers le circuit intégré de pilotage (typiquement 7,4V) sur le transducteur ultrasonique. En conséquence, le transducteur ultrasonique produit des ondes sonores acoustiques. Nous avons placé deux transducteurs face à face dans des directions opposées de manière à laisser un espace entre eux. Les ondes sonores acoustiques voyagent entre les deux transducteurs et permettent à l'objet de flotter. Veuillez regarder la vidéo pour plus d'informations, tout est expliqué dans cette vidéo.

Étape 4 : Fabrication du transducteur

D'abord, nous devons désouder l'émetteur et le récepteur du module ultrasonique. Également retirer le couvercle de protection puis connecter de longs fils. Ensuite, placer l'émetteur et le récepteur l'un au-dessus de l'autre. Rappelez-vous, la position des transducteurs ultrasoniques est très importante. Ils doivent se faire face dans des directions opposées, ce qui est très important, et ils doivent être sur la même ligne afin que les ondes sonores ultrasoniques puissent voyager et se croiser dans des directions opposées. Pour cela, j'ai utilisé une feuille de mousse, des écrous et boulons.

Veuillez regarder la vidéo de fabrication pour une meilleure compréhension

Étape 5 : Programmation

Le codage est très simple, seulement quelques lignes. En utilisant ce petit code avec l'aide d'un timer et de fonctions d'interruption, nous faisons haut ou bas (0/1) et générons un signal oscillant de 40 kHz sur les broches de sortie Arduino A0 et A1.

Télécharger le code Arduino ici : https://gist.github.com/EDISON-SCIENCE-CORNER/3ebb7020d0dacbbae949afb8f29bfcc3

Étape 6 : Connexions

Connecter tout selon le schéma de circuit.

N'oubliez pas de connecter les deux masses ensemble.

Étape 7 : Points importants et améliorations

Le placement du transducteur est très important, essayez donc de le placer en position correcte.

Nous ne pouvons soulever que de petits objets légers comme du polystyrène et du papier.

Il faut fournir au moins 2 ampères de courant.

Ensuite, j'ai essayé de faire léviter de gros objets. Pour cela, j'ai d'abord augmenté le nombre d'émetteurs et de récepteurs, ça n'a pas marché. Ensuite, j'ai essayé avec une haute tension, ça a aussi échoué.

Améliorations :

Plus tard, j'ai compris que j'avais échoué à cause de l'arrangement des transducteurs. Si nous utilisons plusieurs émetteurs, nous devrions les aligner dans une structure courbe.

Étape 8 : Remerciements

Toute question, commentez ci-dessous.

Code

Gist

https://gist.github.com/EDISON-SCIENCE-CORNER/3ebb7020d0dacbbae949afb8f29bfcc3

Schémas