应用驻波法控制物体空间定位及位移研究

刘智敏 包琰洋 刘涵

摘  要：通过嵌入式系统单片机编程控制，采用整体3D打印设计实验用支架，基于声学原理，利用空间驻波场波节处的高声压实现轻小固体物质的空间悬浮定位，对影响悬浮性能的发生器频率、控制电路电流、电压等变量进行研究与调整，最终实现轻小物体在空间的稳定悬浮。通过嵌入式系统硬件程序调整超声波发生器发射波形的相位，使全部悬浮物在空间内实现整体位移。

关键词：驻波声场控制空间定位  稳定空间悬浮  悬浮物在空间内整体位移  嵌入式系统控制

中图分类号：O422.5          文献标识码：A                  文章编号：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

聲悬浮[1-2]技术作为一种可以在与被操作物质无接触情况下使之悬浮的技术，具有很好的适用范围，其对于被悬浮物质的材料没有特殊的要求，相较于传统无接触悬浮的电磁悬浮方式有着更好的泛用性。现有的声悬浮研究大多以单纯的悬浮控制或提高悬浮稳定性有关，对悬浮物的移动操作会要求悬浮设备也随之进行移动，这极大限制了声悬浮技术在实际工业生产中的使用范围。本文自主设计并制作了一个简易可控的声悬浮装置，在实现悬浮物质在空间中稳定悬浮且实验装置设备不动的情况下，通过利用单片机调整输出信号实现了使声场中的所有悬浮物进行可控位移的操作。

2  原理介绍

2.1 声控悬浮原理

声悬浮是高声强条件下的一种非线性效应，其基本原理是利用驻波声场与物体的相互作用产生竖直方向的悬浮力以克服物体的重力，同时产生水平方向的定位力将物体固定于声压波节处[3]。一般多使用的是超声悬浮，超声悬浮一般分为两种，一种为超声近场悬浮，另一种是驻波悬浮[4]，本文设计的超声悬浮装置基于后者实现。

2.2 驻波悬浮

驻波是由振幅、频率和传播速度都相同的两列相干波，在同一直线上沿相反方向传播时叠加而成的一种特殊形式的干涉现象。在两个波的电压（或电流）相加的点出现波腹，在两者电压（或电流）相减的点形成波节（如图1所示）。在波形上，波节和波腹的位置始终是不变的，给人“驻立不动”的印象，但它的瞬时值是随时间而改变的。如果这两种波的幅值相等，则波节的幅值为零。同频同幅的两列波相加产生的驻波波节处，相对声压较大，可以使得轻小物体克服自身重力实现稳定悬浮，且不受制于环境与材料的限制。

3  实验设置

3.1 实验设计

现有主流超声悬浮装置大体上有两种，单轴式与三轴式，单轴式超声悬浮装置相较后者有着更低的建造成本与更方便的控制手段，但传统的单轴式超声悬浮装置难以通过简单的控制手段令悬浮物实现可控位移，我们的设计的声悬浮装置基于单轴式对称[5-6]方式实现悬浮，并意在结合嵌入式系统对悬浮物进行位移控制。如图2，通过单片机输出两路同频的方波信号，经过驱动板的放大作用后输入给两个型号相同的超声波发射头（相当于一个超声换能器），上下两个超声波发生器发出的正弦信号会在空间中形成驻波，驻波波节处的较大声压[7]会使轻小固体物质可以稳定悬浮。我组在设计该实验装置时，通过使用驱动板同时输出两路相同信号给两个发射端[8]，使得发射端可以输出两路完全相同的正弦波。这么做而不采用单一发射端加反射面的好处是：可以使得驻波在波节处的声压相比于使用反射更大，更易于使得悬浮物保持稳定的悬浮状态，同时在同一驱动板的带动下也能保证在同一时刻两个发射器所发射的信号波形完全相同，且避免了因反射而带来的能量损失。空间悬浮物（空气介质中）整体位移[9]研究也可以通过单片机改变输入的方波信号相位从而实现改变驻波波形相位，进而实现对于空间悬浮物的位置控制。

3.2 实验装置设计与制作

驻波声悬浮装置主要有两种，单轴式和三轴式，我组所采用的实验方案是基于前者设计的。采用的实验仪器有：超声波发生器2个（一对参数相同的），单片机（一块STM32F1），驱动板，杜邦线，信号发生器（用于实验设备调试），双通道示波器，各实验装置如图3-8所示。

悬浮装置的整体机械结构全部为自主设计并分部件采用3D打印，最终通过拼装行程一个完整的整体结构，设计结构图与3D打印成品图如图9-14所示。

4  实验分析

4.1 装置功耗分析

驱动板驱动电压12V，整体电流略小于50mA，考虑到单片机芯片功耗，总功耗约为0.5W，整体功耗很低。

4.2 声悬浮装置性能分析

使用的超声发生器标识最佳性能频率为40kHz。

单片机输出方波即超声波发射器发射的正弦波频率f=40kHz，周期T=25ms。

超声波声速v视为标准声速约为340m/s，故可求得波长λ=vT=8.5mm。相邻波节间距离为半波長λ/2=4.25mm。

为了验证我组设计实验装置所生成的驻波及其波节对轻小固体物体的悬浮能力，我们共进行了两次发射器不同间距的实验，两次测量的发生器间距分别为14.98mm和23.60mm，具体实验分析如下。

4.3 双超声发射器间距为14.98mm情况下的实验分析

首先我们知道，12.75mm<14.98mm <17mm，即在该间距下，两超声发射器间的空间中应有3个波节。在实际实验中成功地在这种情况下悬浮起3个形状大小不完全相同的固体轻小悬浮物（泡沫塑料，密度约为0.3～0.5g/cm3），每个轻小固体悬浮物的直径（若视作球体）大约为1mm左右。根据悬浮物的间距与其在空间中的整体位置，可以证实我们的理论推算完全符合实际效果，且根据悬浮物之前大约为4.2mm的间距可以反推之发生器所发射的超声波频率大约为40kHz。

4.4 双超声发射器间距为23.60mm情况下的实验分析

同样首先分析可以得出21.25mm<23.60mm <25.5mm，即在该间距下，两超声发射器间的空间中应有5个波节。在实际实验中发现双发射器间的空间中恰好可以悬浮起5个形状大小不完全相同的固体轻小悬浮物，印证了我们实验前对于空间驻波产生及其波节间距的理论分析和计算，如图15所示。

4.5 悬浮物在空间内整体位移的研究

通过利用单片机调整输出方波的相位，经过驱动板将电信号传给超声发射器，使得超声发射器所产生的正弦波也发生相位移动。由于使用的单轴式悬浮装置采用了双发射器而非发射器与反射面，故经过理论分析，两个发射器所发射的正弦波会向着对向移动，进而可以推知驻波波节的位置会随着驻波相位的变化而变化。若控制电路部分可以做到无极调节，则固体悬浮物会随着波节的移动而产生一个持续位移。在我们进行的实际实验操作中，因以单片机为核心的控制电路只能做到固定单位的相位调节，通过观察轻小悬浮物体在空间的整体移动，我们发现其可以在空间中实现整体同向位移。

实际实验效果如图16所示。

5  结论

实验通过使用较为简易的装置实现了可控的声悬浮，且可以在外界扰动小的环境下使轻小物体实现长时间、高稳定度的悬浮，具有易操控性和简洁性的特点。除了使轻小物体在空间中束缚和定位，我们还通过实验论证了我们对于其位移轨迹的分析推论（单轴，双发控制条件下）。

对于非声学因素的影响，我们分析认为主要有两种：其一是环境中的气体气流，会对轻小物体产生较为大的外力影响，可能会导致悬浮物产生横向漂移移出波节的范围而导致无法继续悬浮;其二是若将装置放大化应用在实际生产中，因部分电流不稳定原因（如电涌）而导致发生器产生不稳定的波，可能会导致波节短时间的消失，而悬浮物则也会从稳定状态转向受重力影响不能继续保持悬浮状态。

对于我们设计的这套装置，我们认为其具有很好的工业生产推广意义：现有的工业生产环境中，想要实现对于一些固体或液体物质的控制，大多还是利用电磁控制，电磁控制虽然在大部分情况下稳定可靠，但在一些复杂特殊如一些高温高压和有着强电磁干扰的环境下，或被控物体为绝缘体，传统电磁控制则显得非常无力。利用超声悬浮实现对绝缘固液物体的空间束缚以及操控其实现无接触空间位移是一种安全可靠且成本较低的可行方案，超声波本身的特性也使得其在绝大部分工业生产环境中不易被干扰影响，故超声悬浮这一方案值得进一步探索与推广利用。

参考文献

[1] BRANDT E H.Acoustic physics：Suspended by sound[J].Nature（London），2001，413，474.

[2] VANDAELE V，LAMBERT P，DELCHAMBRE A.Non-contact handling in microassembly：Acoustical levitation[J].Precis.Eng，2005，29，491.

[3] 朱怡，房毅.驻波声悬浮中对悬浮小物件的操控研究[J].物理实验，2019，39（6）：50-54

[4] 罗孟凡.声悬浮的研究进展[J].中国科技投资，2019（2）：210-211.

[5] 张鹏，高辉，宋起超，等.基于双反射面声悬浮器的非接触传输方法[J].黑龙江工程学院学报，2020，34（2）：1-4.

[6] 张鹏，于浩洋，谢忠玉.单轴式声悬浮器的仿真与优化[J].黑龙江工程学院学报，2016，30（3）：33-36.

[7] 黄健宇.基于COMSOL的声悬浮声场模拟仿真[J].学术研究，2019（3）：234-236.

[8]郑远，杨国威，鲍德松，等.启发式物理演示实验教学 模式探索——以声悬浮实验为例[J].实验室研究与探索，2020，30（7）：192-196.

[9] 王亚星.固体内声悬浮微粒操控系统研究与设计[D].杭州：杭州电子科技大学，2014.