應(yīng)用駐波法控制物體空間定位及位移研究

劉智敏 包琰洋 劉涵

摘? 要：通過嵌入式系統(tǒng)單片機編程控制，采用整體3D打印設(shè)計實驗用支架，基于聲學(xué)原理，利用空間駐波場波節(jié)處的高聲壓實現(xiàn)輕小固體物質(zhì)的空間懸浮定位，對影響懸浮性能的發(fā)生器頻率、控制電路電流、電壓等變量進(jìn)行研究與調(diào)整，最終實現(xiàn)輕小物體在空間的穩(wěn)定懸浮。通過嵌入式系統(tǒng)硬件程序調(diào)整超聲波發(fā)生器發(fā)射波形的相位，使全部懸浮物在空間內(nèi)實現(xiàn)整體位移。

關(guān)鍵詞：駐波聲場控制空間定位? 穩(wěn)定空間懸浮? 懸浮物在空間內(nèi)整體位移? 嵌入式系統(tǒng)控制

中圖分類號：O422.5 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）03（a）-0087-05

Research on Space Positioning and Displacement Control of Object by Standing Wave Method

LIU Zhimin? BAO Yanyang? LIU Han

（Beijing University Of Chemical Technology， Beijing， 100020 China）

Abstract： Based on the acoustic principle， light and small objects' levitation and spatial positioning are achieved by using the pressure difference at the node of the standing wave field. This device is programmed and controlled by a microcontroller and fixed with a 3D-printing stand. Research and adjustment is made on variables that affect the levitation ability， including the freqency of ultrasonic transmitter， control circuit's voltage and current. Finally， an ideal effect is achieved. The microcontroller adjusts the phase of the ultrasonic generator's emission waveform， so that all suspended objects can be moved on a single axis simultaneously.

Key Words： Standing wave in sound field; Stable space levitation; Overall displacement of suspended solids in space; Embedded system control

1? 引言

聲懸浮[1-2]技術(shù)作為一種可以在與被操作物質(zhì)無接觸情況下使之懸浮的技術(shù)，具有很好的適用范圍，其對于被懸浮物質(zhì)的材料沒有特殊的要求，相較于傳統(tǒng)無接觸懸浮的電磁懸浮方式有著更好的泛用性。現(xiàn)有的聲懸浮研究大多以單純的懸浮控制或提高懸浮穩(wěn)定性有關(guān)，對懸浮物的移動操作會要求懸浮設(shè)備也隨之進(jìn)行移動，這極大限制了聲懸浮技術(shù)在實際工業(yè)生產(chǎn)中的使用范圍。本文自主設(shè)計并制作了一個簡易可控的聲懸浮裝置，在實現(xiàn)懸浮物質(zhì)在空間中穩(wěn)定懸浮且實驗裝置設(shè)備不動的情況下，通過利用單片機調(diào)整輸出信號實現(xiàn)了使聲場中的所有懸浮物進(jìn)行可控位移的操作。

2? 原理介紹

2.1 聲控懸浮原理

聲懸浮是高聲強條件下的一種非線性效應(yīng)，其基本原理是利用駐波聲場與物體的相互作用產(chǎn)生豎直方向的懸浮力以克服物體的重力，同時產(chǎn)生水平方向的定位力將物體固定于聲壓波節(jié)處[3]。一般多使用的是超聲懸浮，超聲懸浮一般分為兩種，一種為超聲近場懸浮，另一種是駐波懸浮[4]，本文設(shè)計的超聲懸浮裝置基于后者實現(xiàn)。

2.2 駐波懸浮

駐波是由振幅、頻率和傳播速度都相同的兩列相干波，在同一直線上沿相反方向傳播時疊加而成的一種特殊形式的干涉現(xiàn)象。在兩個波的電壓（或電流）相加的點出現(xiàn)波腹，在兩者電壓（或電流）相減的點形成波節(jié)（如圖1所示）。在波形上，波節(jié)和波腹的位置始終是不變的，給人“駐立不動”的印象，但它的瞬時值是隨時間而改變的。如果這兩種波的幅值相等，則波節(jié)的幅值為零。同頻同幅的兩列波相加產(chǎn)生的駐波波節(jié)處，相對聲壓較大，可以使得輕小物體克服自身重力實現(xiàn)穩(wěn)定懸浮，且不受制于環(huán)境與材料的限制。

3? 實驗設(shè)置

3.1 實驗設(shè)計

現(xiàn)有主流超聲懸浮裝置大體上有兩種，單軸式與三軸式，單軸式超聲懸浮裝置相較后者有著更低的建造成本與更方便的控制手段，但傳統(tǒng)的單軸式超聲懸浮裝置難以通過簡單的控制手段令懸浮物實現(xiàn)可控位移，我們的設(shè)計的聲懸浮裝置基于單軸式對稱[5-6]方式實現(xiàn)懸浮，并意在結(jié)合嵌入式系統(tǒng)對懸浮物進(jìn)行位移控制。如圖2，通過單片機輸出兩路同頻的方波信號，經(jīng)過驅(qū)動板的放大作用后輸入給兩個型號相同的超聲波發(fā)射頭（相當(dāng)于一個超聲換能器），上下兩個超聲波發(fā)生器發(fā)出的正弦信號會在空間中形成駐波，駐波波節(jié)處的較大聲壓[7]會使輕小固體物質(zhì)可以穩(wěn)定懸浮。我組在設(shè)計該實驗裝置時，通過使用驅(qū)動板同時輸出兩路相同信號給兩個發(fā)射端[8]，使得發(fā)射端可以輸出兩路完全相同的正弦波。這么做而不采用單一發(fā)射端加反射面的好處是：可以使得駐波在波節(jié)處的聲壓相比于使用反射更大，更易于使得懸浮物保持穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)，同時在同一驅(qū)動板的帶動下也能保證在同一時刻兩個發(fā)射器所發(fā)射的信號波形完全相同，且避免了因反射而帶來的能量損失。空間懸浮物（空氣介質(zhì)中）整體位移[9]研究也可以通過單片機改變輸入的方波信號相位從而實現(xiàn)改變駐波波形相位，進(jìn)而實現(xiàn)對于空間懸浮物的位置控制。

3.2 實驗裝置設(shè)計與制作

駐波聲懸浮裝置主要有兩種，單軸式和三軸式，我組所采用的實驗方案是基于前者設(shè)計的。采用的實驗儀器有：超聲波發(fā)生器2個（一對參數(shù)相同的），單片機（一塊STM32F1），驅(qū)動板，杜邦線，信號發(fā)生器（用于實驗設(shè)備調(diào)試），雙通道示波器，各實驗裝置如圖3-8所示。

懸浮裝置的整體機械結(jié)構(gòu)全部為自主設(shè)計并分部件采用3D打印，最終通過拼裝行程一個完整的整體結(jié)構(gòu)，設(shè)計結(jié)構(gòu)圖與3D打印成品圖如圖9-14所示。

4? 實驗分析

4.1 裝置功耗分析

驅(qū)動板驅(qū)動電壓12V，整體電流略小于50mA，考慮到單片機芯片功耗，總功耗約為0.5W，整體功耗很低。

4.2 聲懸浮裝置性能分析

使用的超聲發(fā)生器標(biāo)識最佳性能頻率為40kHz。

單片機輸出方波即超聲波發(fā)射器發(fā)射的正弦波頻率f=40kHz，周期T=25ms。

超聲波聲速v視為標(biāo)準(zhǔn)聲速約為340m/s，故可求得波長λ=vT=8.5mm。相鄰波節(jié)間距離為半波長λ/2=4.25mm。

為了驗證我組設(shè)計實驗裝置所生成的駐波及其波節(jié)對輕小固體物體的懸浮能力，我們共進(jìn)行了兩次發(fā)射器不同間距的實驗，兩次測量的發(fā)生器間距分別為14.98mm和23.60mm，具體實驗分析如下。

4.3 雙超聲發(fā)射器間距為14.98mm情況下的實驗分析

首先我們知道，12.75mm<14.98mm <17mm，即在該間距下，兩超聲發(fā)射器間的空間中應(yīng)有3個波節(jié)。在實際實驗中成功地在這種情況下懸浮起3個形狀大小不完全相同的固體輕小懸浮物（泡沫塑料，密度約為0.3～0.5g/cm3），每個輕小固體懸浮物的直徑（若視作球體）大約為1mm左右。根據(jù)懸浮物的間距與其在空間中的整體位置，可以證實我們的理論推算完全符合實際效果，且根據(jù)懸浮物之前大約為4.2mm的間距可以反推之發(fā)生器所發(fā)射的超聲波頻率大約為40kHz。

4.4 雙超聲發(fā)射器間距為23.60mm情況下的實驗分析

同樣首先分析可以得出21.25mm<23.60mm <25.5mm，即在該間距下，兩超聲發(fā)射器間的空間中應(yīng)有5個波節(jié)。在實際實驗中發(fā)現(xiàn)雙發(fā)射器間的空間中恰好可以懸浮起5個形狀大小不完全相同的固體輕小懸浮物，印證了我們實驗前對于空間駐波產(chǎn)生及其波節(jié)間距的理論分析和計算，如圖15所示。

4.5 懸浮物在空間內(nèi)整體位移的研究

通過利用單片機調(diào)整輸出方波的相位，經(jīng)過驅(qū)動板將電信號傳給超聲發(fā)射器，使得超聲發(fā)射器所產(chǎn)生的正弦波也發(fā)生相位移動。由于使用的單軸式懸浮裝置采用了雙發(fā)射器而非發(fā)射器與反射面，故經(jīng)過理論分析，兩個發(fā)射器所發(fā)射的正弦波會向著對向移動，進(jìn)而可以推知駐波波節(jié)的位置會隨著駐波相位的變化而變化。若控制電路部分可以做到無極調(diào)節(jié)，則固體懸浮物會隨著波節(jié)的移動而產(chǎn)生一個持續(xù)位移。在我們進(jìn)行的實際實驗操作中，因以單片機為核心的控制電路只能做到固定單位的相位調(diào)節(jié)，通過觀察輕小懸浮物體在空間的整體移動，我們發(fā)現(xiàn)其可以在空間中實現(xiàn)整體同向位移。

實際實驗效果如圖16所示。

5? 結(jié)論

實驗通過使用較為簡易的裝置實現(xiàn)了可控的聲懸浮，且可以在外界擾動小的環(huán)境下使輕小物體實現(xiàn)長時間、高穩(wěn)定度的懸浮，具有易操控性和簡潔性的特點。除了使輕小物體在空間中束縛和定位，我們還通過實驗論證了我們對于其位移軌跡的分析推論（單軸，雙發(fā)控制條件下）。

對于非聲學(xué)因素的影響，我們分析認(rèn)為主要有兩種：其一是環(huán)境中的氣體氣流，會對輕小物體產(chǎn)生較為大的外力影響，可能會導(dǎo)致懸浮物產(chǎn)生橫向漂移移出波節(jié)的范圍而導(dǎo)致無法繼續(xù)懸浮;其二是若將裝置放大化應(yīng)用在實際生產(chǎn)中，因部分電流不穩(wěn)定原因（如電涌）而導(dǎo)致發(fā)生器產(chǎn)生不穩(wěn)定的波，可能會導(dǎo)致波節(jié)短時間的消失，而懸浮物則也會從穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)向受重力影響不能繼續(xù)保持懸浮狀態(tài)。

對于我們設(shè)計的這套裝置，我們認(rèn)為其具有很好的工業(yè)生產(chǎn)推廣意義：現(xiàn)有的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中，想要實現(xiàn)對于一些固體或液體物質(zhì)的控制，大多還是利用電磁控制，電磁控制雖然在大部分情況下穩(wěn)定可靠，但在一些復(fù)雜特殊如一些高溫高壓和有著強電磁干擾的環(huán)境下，或被控物體為絕緣體，傳統(tǒng)電磁控制則顯得非常無力。利用超聲懸浮實現(xiàn)對絕緣固液物體的空間束縛以及操控其實現(xiàn)無接觸空間位移是一種安全可靠且成本較低的可行方案，超聲波本身的特性也使得其在絕大部分工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中不易被干擾影響，故超聲懸浮這一方案值得進(jìn)一步探索與推廣利用。

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