对抗重力——初探声悬浮技术

前言
五类悬浮技术
- 磁悬浮
- 静电悬浮
- 光悬浮
- 气体悬浮
- 声悬浮
原理
- 声的传播
- 振幅为零！
制作过程
- 材料
- 超声波悬浮全貌
- - 换能头
  - 电路图
  - 实验视频
  - 程序

前言

从古至今，人们就渴望着能够摆脱地面的束缚，如鸟类般在天空自由的飞翔，而人类的探索也从未停止过。远在春秋时期，就有了的风筝的雏形。在明朝，尽管万户发明的飞椅未能如愿将其送上天空，但他是世界上第一个想到借助火箭推力升空并付诸实践的人。
到了近代，热气球、飞艇乃至飞机的相继问世，无异于让人类实现了最初的飞天梦想，但人们与重力的对抗，才刚刚开始。在上个世纪，许多科幻作家不止一次的在自己的作品中提到反重力装置。反重力的热潮，源于爱因斯坦在其广义论中对引力波做出的预言。人们渴望有一种装置来彻底的摆脱重力，就像在宇宙中那样，能够自在的漂浮。于是，大批的科学家将精力投入在悬浮技术当中。

五类悬浮技术

在现今，悬浮技术可大致分为五类：磁悬浮、静电悬浮、光悬浮、气体悬浮和声悬浮。

磁悬浮

磁悬浮无疑是这几种技术中名声最大的，这得益于它较强的悬浮能力和较好的稳定性。所以，它也是若干种悬浮技术中最先被商业化的。小到商店中的悬浮展示台，大到著名的上海磁悬浮列车，都是基于这种技术的。

静电悬浮

静电悬浮技术，其本质是让物体受到库仑力的作用从而抵消重力实现悬浮。库仑力由物体自身带有的电荷在静电场中产生。这种悬浮方式要求被悬浮物表面应积累足够的电荷以获得所需的库仑力而悬浮。

光悬浮

光悬浮利用的是光压的作用。当光照射到物体上时会对物体表面产生一定的压力，但此压力极小，因此一般的感光并不足以使被照射物产生反应。光悬浮力一般处于纳牛顿数量级，基本只有在被悬浮物尺寸在微米级时才可能实现。

气体悬浮

气体悬浮可分为伯努利气流悬浮和气垫悬浮两种。前者是基于伯努利理论的。尽管名字高大上，实现起来其实是很简单的。大家将乒乓球放在吹风机的气流上，就会发现乒乓球飘在了空中（如图）。而气垫悬浮相信大家也不陌生，中学物理实验室中的气垫导轨用的就是该原理！

声悬浮

但今天的主角是声悬浮。它包含两种方式，超声近场悬浮和超声驻波悬浮。超声近场悬浮是一种悬浮距离非常近的悬浮技术，悬浮距离通常只有微米级，是由高强度的超声波作用于平板物体从而使其悬浮起来的技术。而超声驻波悬浮是通过超声波发射端与反射端（或是另一个发射端）存在一定的距离(称谐振腔距离)，发射波与反射波（或另一个声波）不断叠加最终形成驻波，在驻波节点处物体受到的声波力克服重力作用最终达到悬浮的效果。

原理

尽管声悬浮的原理就几句话，但要深入了解还得从声音的传播开始说起。

声的传播

声波如同水波一样，都是波的一种，有振动能传播。不同之处是，水波属于横波，也就是说它的传播方向与振动方向是垂直的。而声波则恰恰相反，声波属于纵波，其传播方向与振动方向相同。由于振动的原因，所以在声波的传播路径上空气密度会发生变化!

那么，空气密度的变化，必然会导致密度大的区域会对密度小的区域产生一定的压力！大家想想自己的耳朵，里面的耳膜不就是感受到了这种空气密度产生的压力变化，才会跟着振动，接收到声音的吗？

振幅为零！

但是仅有这种压力还不足以完美的抵消重力。因为声波是会移动的，所以相同的位置所受到的压力会不停的变化，打破之前的平衡。所以，我们需要一种特殊的波，保证它在某个位置上的振幅为零。这种波叫驻波！

驻波不会在水平方向上发生移动。在上图中的蓝点处，波的振幅永远为零。也就是说，这种波是在原地振动的，这也是驻波名字的由来。而这些振幅为零的位置，科学家称之为波节。产生驻波的方法有两种，一是利用声波和它遇到物体产生的反射波，两者叠加生成驻波，二是用两个完全相同但是方向相反的声波，叠加出驻波，这种方法实现起来较为容易。

制作过程

材料

补充完理论知识后，我们开始电路的搭建。首先需要准备以下材料：
a) Arduino板一块，也可用信号发生器代替
b) 超声波换能器两个，可从SR04模块上拆除（接收头和发射头并无太大差别）（引脚无正负区别）
c) L298N驱动板一块，负责驱动超声波换能器
d) 洞洞板和铜柱，搭建为支架方便调节高度

超声波悬浮全貌

先上一张我制作的超声波悬浮全貌：

换能头

在拆除超声波换能头时，取下里面的金属网，将其做成“勺子”。因为这种金属网对于超声波来说是透明的，所以我们可以用它来放置需要悬浮的物品。如果用手或镊子，是会对悬浮造成影响的。

Arduino的程序较短，我放在了文末。这里主要是利用它来产生40KHz的方波，作为超声波换能头的信号源。但是如果用digitalWrite等函数，效率过低，无法产生这么“高频率”的方波信号，所以要直接对寄存器进行操作。当然，手边有波形发生器就无需这么复杂了。

电路图

按上图连接好电路后，我们需要搭建一个支架（如题图），将两个超声波发生器固定在上面。因为驻波的产生与两个发生器之间的距离有很大的影响，所以我们要利用支架上的螺丝对高度进行微调，错误的距离将导致实验没有任何现象。经过实验，两个发生器最底端的塑料片相距4.62cm左右效果最佳，大家可直接调整为该距离后再微调测试。
在调节高度时，一定要有耐心。我也是测试了无数次，几近崩溃，才有了下面的结果。每次调节的高度不能太多，否则很可能会错过最佳距离。调节后，用金属网做的勺子将纸片放在发射头的中间，缓慢的来回移动。如果距离合适，纸片会刚好悬浮在驻波的波节处。

实验视频

视频在这里：https://www.bilibili.com/video/av61556166/
（录制的很寒碜。。。。。）
文头处的图片就是最终效果图，这里再放一次，嘿嘿嘿：

程序

Arduino程序如下：

byte TP = 0b10101010;
void setup() {DDRC = 0b11111111;
noInterrupts();
TCCR1A = 0;
TCCR1B = 0;
TCNT1 = 0;
OCR1A = 200;
TCCR1B |= (1 << WGM12);
TCCR1B |= (1 << CS10);
TIMSK1 |= (1 << OCIE1A);
interrupts();
}
ISR(TIMER1_COMPA_vect) {PORTC = TP;
TP = ~TP;
}
void loop() {}

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