Ultrazvuková levitace

Abstract

Cílem této bakalářské práce je návrh a sestavení laboratorní úlohy demonstrující ultrazvukovou levitaci doplněný o teoretický výklad dané problematiky. Obsahem práce je především volba vhodné metody, elektronických součástek, konstrukce zařízení, experimentální ověření a popis celkového postupu. Jako vhodná metoda pro experimentální zařízení byla zvolena metoda na základě stojatého vlnění. Toho je dosaženo mezi dvěma poli vysílačů o frekvenci 40 kHz. Dílčím úkolem bylo také naprogramování řízení výšky levitovaného tělesa. Pro pohyb s tělesy bylo plánováno naprogramování řízení fáze jednotlivých vysílačů, avšak z důvodu omezení použitým mikropočítačem Arduino Mega 2560 byla řízena fáze celé jedné soustavy vysílačů. Zvolený mikropočítač neumožňuje nastavování fáze výstupních signálů, proto bylo navrženo alternativní řešení spočívající na paralelním zapojení výstupů a jejich postupném spínání a vypínání. Tímto způsobem byl demonstrován pohyb polystyrenových kuliček ve svislém směru. V průběhu práce byly dále řešeny vzniklé problémy, jako například přehřívání soustav vysílačů od odporů napájených na společném tištěném obvodu. Vyřešeno to bylo přidáním ventilátorů pro jejich chlazení.

The aim of this bachelor thesis is design and assembly of a laboratory model demonstrating ultrasonic levitation with additional theoretical basics defining the topic. In the thesis following steps are described: choice of suitable method, choice of electronic parts, design of structure, experimental verification and complete process of the work. As a suitable method was chosen method based on standing wave ultrasonic levitation. Standing wave is formed between two opposing arrays of ultrasonic transducers with frequency of 40 kHz. One of the main goals of this thesis was controlling height of the levitated object. For that purpose it was planned to control independently phase of each transducer, however because of limitations caused by the chosen microcontroller Arduino Mega 2560, only phase control of one whole array was achieved. Chosen microcontroller doesn't allow setting phase of output signals, so an alternative way was discovered. Several output signals are connected in parallel and consecutively turned on and off. Using that, vertical movement of polystyrene spheres was demonstrated. During the process several problems occurred and were solved, such as overheating of the transducers caused by transistors soldered on the same circuit, what was eliminated by adding cooling ventilators.