本帖最后由 燕云十八骑 于 2019-5-24 17:07 编辑
超声驻波轴向悬浮移动装置
一、概述 随着国内外学者对超声悬浮技术的深入研究，超声悬浮装置已经由昂贵的变幅杆等设备，发展为由通用商业的超声波换能器组成的结构，结合3D模型打印技术，任何科研学者和电子爱好者都能使用这些组件制作超声悬浮装置，方便人们进行相关的声学研究。该项技术由Asier Marzo等人发表在AIP Publishing中。本设计在其模型的基础上，更改了主控MCU，利用MCU内部的定时器产生精确的PWM波，并对软件进行了改进，使得超声装置在轴向悬浮移动过程中，能够稳定地移动悬浮在多个波节的小物体。 二、超声悬浮和移动原理分析 2.1 悬浮原理 两个相对的超声悬浮阵列产生频率相同、振幅相同和振动方向相同的超声波，两列传播方向相反的声波互相叠加后形成驻波。在驻波的波形上，波节和波腹的位置始终不变。 在驻波声场中，重量非常轻的颗粒会受到两个相反方向的声压作用，平衡时，悬浮颗粒会停留在上下声压相互平衡的点，这一点即为波节处。如果考虑重力的影响，那么物体会停在声压略微向上的点，以此来达到力的平衡。悬浮颗粒会随着声压节点的移动而移动，通过移动波节，就能达到操纵悬浮颗粒的目的。 此外，悬浮目标由于外界的干扰会产生相对平衡位置微小的位移波动，当物体离开平衡位置后会受到水平和垂直方向的声辐射力的作用，迫使物体回到平衡位置。此时的驻波声场能保持一定的抗干扰能力，使悬浮物体保持稳定。 2.2 悬浮物体的操纵分析 2.2.1 悬浮的稳定性
图1 波形上移 图2 波形下移
如图1所示，波节上移时，为了保持稳定的悬浮，下方的阵列需将波形前移，上方的阵列需将波形后移。同理，在图2中，波节下移时，下方的阵列需将波形后移，上方的阵列需将波形前移。 2.2.2 波形的移动 超声发射头所需的控制信号为方波（-5~5V），将定时器两个通道输出的其中一个PWM波形（0~5V）反相，差分后可以得到方波。因此，在控制一个超声阵列的波形移动时，需要同时控制两个通道的输出。以下将对一个阵列的两个通道输出进行分析。
图3 两个通道波形的移动
如图3，在波形持续移动的过程中，为了保持稳定悬浮，在恒定的时间内，每次移动一小步，同时在每个时间段保持50%的占空比。根据波形移动的方向，决定这一时间段相对上一时间段的跳变沿在时间轴上出现的时刻。 严格来讲，同相和反相应该是反映两个波形的相位关系，在这里，仅用来说明不同的波形，不做严格区分。
图4 波形后移--通道0
如图4，假设通道0波形周期为20ms，移动步长1ms。将每个时间段的波形在时间轴上连接起来，显然，波形的移动可以通过改变控制信号的周期（频率）和占空比来实现。在图4波形后移中，周期变为21ms，占空比变为10/21=47.619%。当波形稳定后，周期恢复为20ms，占空比恢复为50%。
如图5，通道1的波形相对通道0是反相的，在波形移动时，周期也变为21ms，而占空比变为1-10/21=52.381%。
图6 波形前移--通道0
图7 波形前移--通道1
经过上述分析后，不难得出波形前移时周期和占空比的变化。图6中，周期变为19ms，占空比变为9/19=47.368%。在图7中，周期也为19ms，占空比变为1-9/19=52.632%。 三、硬件设计 3.1 超声阵列
超声阵列的支架采用凹球面的结构，经实验证明，这种结构能够有效提高驻波声场的悬浮能力，超声悬浮装置需要两边各36个超声发射换能器。
一个超声发射阵列由多个换能器并联组成，换能器的正极均指向圆心。
图10 超声发射头AT40-10P
超声发射头AT40-10P的中心频率为40kHz，直径10mm。为了保持振动方向一致，需要标明换能器的正负极，确保正确地并联。
具体做法：将换能器的两端连接示波器的探头，用细针或者电子元件的管脚伸进换能器中敲一下压电膜片，若示波器出现正脉冲，则探头连接的管脚为正极；若出现负脉冲，则探头连接的管脚为负极。
图11 正极正脉冲
图12 负极负脉冲
3.2 硬件连接图
图13 硬件连接图
控制单元采用GD32E231C—START开发板，片上资源丰富，其中高级定时器TIMER0和通用定时器TIMER2有4个通道，定时器TIMER14有两个通道，每个定时器相互独立，可以分别调节周期（频率），定时器的每个通道占空比可以独立调节。 连线： A2—IN0,A3—IN1,A9—IN2,A10—IN3 OUT1—底部阵列（正极）、OUT2—底部阵列（负极） OUT3—顶部阵列（正极）、OUT4—顶部阵列（正极） A2、A3、A9、A10输出波形如图14所示，四个输出信号的频率为40kHz，A2和A9同相，A3和A10反相。波形在跳变沿会有过冲，最大值和最小值显示了过冲的程度。在图15中，这种过冲导致在差分输入时，不是理想的方波。目前该问题对超声悬浮能力无明显的影响。
超声发射阵列需要较大的电流，L298N为电机驱动模块，能够为阵列提供高达2A的驱动电流，在使用12V供电时，电流为0.5A左右。
图14 A2、A3、A9、A10波形
图15 A2-A3、A9-A10差分波形
四、软件设计 4.1 软件流程
六、总结与展望 6.1 总结 首先，报告简要介绍了当前超声悬浮技术的发展趋势，对超声悬浮装置提出了改进的方案。第二部分介绍了相关的声学理论知识，阐述了如何通过移动驻波节点来控制悬浮目标，论证了改变PWM控制信号的周期和占空比可以实现波形在时间轴上的移动。 接着，硬件设计展示了各个模块的连接图，并对模块的功能进行了说明。 在软件设计中，周期和占空比在溢出中断里设置，保证悬浮目标能够稳定地进行移动。最后，对超声悬浮装置进行了实验演示，系统采用12V直流电源供电，在超声发射阵列的轴向悬浮了多个聚苯乙烯小球，且悬浮目标在移动过程中能够保持稳定。从验证结果中可以看到，采用单片机内部两个定时器产生的控制信号对超声驻波悬浮颗粒的控制可行的。 6.2 未来展望 超声驻波悬浮技术对悬浮物体的尺寸存在限制，在声悬浮领域，采用声波涡旋技术，可以悬浮比声波波长更大的物体。如果能将两种技术结合起来，声悬浮能力有望得到很大的提高。
超声驻波节点移动示意图：
超声驻波点移动示意图.pptx
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