2019年4月6日土曜日

超音波ウキウキマシン

超音波センサーを分解して、超音波の送信機と受信機を取り出し
小さな発泡スチロールを浮かせる装置を作成しました。

この装置は、こちら ↓↓ の作品を参考に製作させて頂きました。
ドイツ語で書かれているので、
翻訳サイトに助けてもらいながら読んでいきましたが、
簡単な構成のため分かりやすく、書いてある通りに作成してみましたが、
最初は球の大きさが大きすぎたり、球の運び方が悪かったり
送受信機の間隔が定まらなかったりで
なかなか浮かず 約10分間 悪戦苦闘しました。
初めて浮いたときは 手が震え、でも証拠写真を撮らなきゃ!と思ったり・・・
とにかく感動でした。

まずは映像をご覧ください。

<作り方>
超音波センサーを分解し、送信機と受信機を取り出しました。
秋月で販売されている 超音波センサ(送受信セット) を使えば、
この①の手間は省けそうです。

送信機は「T」、受信機は「R」と表示されています。

上側が受信機、下側が送信機となるように、
15mmφのアルミパイプ(左)および、
高さ調整が出来るように100均のカメラの3脚の足(右)
を使って組み立てました。



Arduino NanoとモータードライバーL298Nは箱の中におさめました。
Arduinoのプログラムも参考にさせて頂いたサイトに掲載されてるものを
そのまま利用させて頂きました。
Arduinoの知識がなくっても、書き込むだけでうまくいきます。

アルミパイプをシッカリ固定するために、
板の厚みを増やしています。(丸板のところ)


★送受信機への接続は悩ましいところでした。
下の写真のように送受信機に赤と白のリード線を接続し、送信機・受信機を並列にして
上の写真の「送受信機へ」つなぐのですが、
赤を左へつなげばいいのか?右へつなげばいいのか・・・?
と思いつつ 色々とやってみたところ、
どの線をどちらに繋いでもうまく動きました。
(勿論、赤・白両方とも左or右へというのはなしですが・・・(笑))

底板を閉じてネジ留めして完成です。
12V 2Aの電源アダプターを使っています。
配線をするときにダイオード1N4007(VF1.1V)2個直列にして、
入力電圧を2.2V下げています。

浮かせる発泡スチロール球は直径1~2mmのカラフルなものを使用しました。

2機目は上下ともに、送信機を使って作ってみました。
距離をうまく調整すると、7個まで浮かすことが出来ました。
(スチロール球が偶数個浮く時は、上下の送信機が同相接続、
奇数個のときは、上下の送信機が逆相接続になっていると思われます。)


装置のスタイルも少し変更~♪
<気づいたこと>
 ★この装置は40kHzの超音波を出しているようですが、
送受信機に耳を近づけるとわずかに音が聞こえます。
20kHz以下の音も出てるのでしょうか?
超音波を出すときの振動により、どこかがぶつかる単なる機械音でしょうか?
それとも私が若いから!? (笑) いくら若くても40kHzは聞こえないはずですね。

★受信機の代わりに壁(プラ板)を置いても、
送信機からの音波が反射してうまくいくのでは?と思いやってみたところ、
取りあえず1球は浮きましたが、2球は無理でした。
受信機(円錐型の金属)と壁(フラットなプラスチック)の違いかも?と思い、
受信機に配線をせず単なる壁として使ってみると、2球浮きましたが
やはり受信機に配線をした方が安定感がありました。
受信機が何らかの発信をしてるなら、この逆にしても浮くのでは?
と思ってやってみましたが、浮きませんでした。
(その後、壁に鉄板(5mm厚)・鏡を使用すると2球浮上、
コピー用紙では浮きかけるものの1球も浮きませんでした。)

★空気中の音速を340m/s(1気圧・15℃)とすると
波長は 340m ÷ 40kHz = 8.5mm となり、
音圧の節は4.25mm間隔で発生することになります。
実際のスチロール球の間隔を測ってみたところ、
5球の間隔が約19mmとなり、平均約4.75mm間隔でした。

★モータードライバーを使う理由
このモータードライバーはステッピングモーター(パルス制御モーター)用で
PWM信号を出力してくれます。
モータードライバーから出力されている波形を
簡易オシロスコープで見てみました。
(超音波送受信機の端子に接続した両端子間の波形です。)

★それならば、PWM方式のモーターコントローラーを使えば
マイコンは不要で、電源と超音波送受信機に接続しただけで浮くかも~?
とワクワクしながらやってみましたが、無理でした(^^;
このようなコントローラーです。
出力波形はこのような感じで約27kHzでした。
超音波送受信機は40kHzあたりの周波数じゃないと動作しないのかしら・・・?
40kHzのときに聞こえたような音も聞こえませんでした。

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
★★★ Facebook等で色々と教えて頂きながら下のようにまとめてみました。 ★★★
音は縦波のため、圧力変化と変位の変化があり、
スチロール球のトラップされる位置が決まります。



上図の
サイエンスチャンネル動画はこちら
https://www.youtube.com/watch?v=FztbuXkLfD0

"超音波の話をしよう(13)「音響浮揚いろいろ」"は
こちらのサイトです。

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★★★ Facebookでいつもお世話になっている方が ★★★
シュミレーションをして下さいました。

定在波は固定端反射および,T,R素子共に同相駆動により生じています。
スチロール球は,圧力の節(変位の腹)部分に留まっていて,最大6か所と思われます。
目測のT,R間距離は少し調整しています。
また,放射角は製品の仕様とほぼ一致していました。
したがって,圧力の節(変位の腹)は水平方向に対しても節にになるため
圧力の節への引き込み現象が生じるのではと思います。

さらに、私の装置でスチロール球の間隔が計算上の4.25mmではなく
平均約4.75mm間隔となる理由の検証もして下さいました。
定在波の中心軸はコーンの傾斜面に直交するため斜めになり 
中心軸が真っすぐのときよりも音圧の節の間隔が長くなるということのようです。

こちらの論文のご紹介も頂きました。
https://www.jstage.jst.go.jp/article/kikaib1979/71/712/71_712_2864/_pdf

また、調べてもわからなかった貴重な情報も教えて頂きました。
★網があると,位相の揃った直進波を生成しますが,
網が無い場合,内部の共振体からある角度をもって放射されるようです。
しかし,中心軸に対象であるので,
音波は重なり見かけ上,中心軸上を進むようになります。
このため定在波は独特な縞模様になり,
TR間においていくつもの”閉ざされた”節のエリアが生じることが予想できます。

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
こちらの動画の3:09あたりを見ると
https://www.youtube.com/watch?v=XpNbyfxxkWE
ドライアイスの煙が変位の腹(圧力の節)?に筋状に並んでいる様子が
綺麗に撮影されています。

こちらの動画は水滴まで浮かせておられます。
https://www.youtube.com/watch?time_continue=62&v=669AcEBpdsY

こちらの動画はあまりの凄さに唖然とします。
https://www.youtube.com/watch?v=odJxJRAxdFU&t=25s


色んな音響浮揚に関して、書かれています。
https://media.dmm-make.com/item/3853/

将来、これで空中に浮くテレビが作れるかも?って言ってました。
https://fabcross.jp/news/2018/01/20180111_u-tokyo.html

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最後にもう一度、 参考にさせて頂いたサイトのurlです。
プログラムもそのまま使用させて頂いています。
このサイトがなければ、私は決してこの装置を作れなかったので、
感謝しています。

9 件のコメント:

  1. chieさん、またまた素晴らしいもの見せて頂きました。有難うございます。お使いの送受信素子は送受とも同じ素子が使われていると思います。それで同じ色の端子同士を接続して信号を入れるとスピーカーでいえば同位相接続になります。これを向かい合わせて使う場合、空気粒子の変位について考えるときは逆位相接続になりますが、音圧に関しては同位相のままです。もし、線の違う色同士をつないでも、向かい合わせて使う場合両素子間の間隔を上手くいった場合の位置から半波長程度ずらせば浮くのではないかなどと考えています。また、コントローラーで動作しないのは、両素子が送信(波)素子そして動作していますので、波形が上下対称でないことも一因でないかと思っています。素子の周波数特性は関係ないでしょうか。chieさんの沈黙の時間はいつも、凄いことを考え、実行中なのですね。本当に凄いです。それから、音の定常波において空気(粒子)の変位に注目した場合、腹付近の一点及びその両側の点はは同じ側に変位しているので空気密度は周囲よりも少し小さいのかもしれませんね。サイトの方が節の辺りは圧縮されていると言われているように受け取りました。万事、私の思い違いでしたらお許しください。

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  2. 両素子が送信(波)素子そして動作していますので、の部分 両素子が送信(波)素子「と」して動作していますので、に訂正します。

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    1. 渡辺先生、コメント下さって ありがとうございます♪
      送受信機の接続する線に関しては、なるほど位相が変わるだけでその分、距離の調整をすれば、同位相になるということですね?
      ただ、これをアップした後 追加実験で、受信機のみモータードライバーに接続し送信機を壁にしてやってみたところ1球も浮きませんでした。
      Blogで書いている通り、この逆の場合は2球浮いたのですが・・・
      送信機と受信機は全く同じものではないのでしょうね?でも受信機からも何らかの超音波が出ている!?

      コントローラーで動作しないのは、28kHzだと超音波送受信機が動作しないような気がしています。40kHzで聞こえるような音が聞き取れませんでした。そこで超音波送受信機の代わりにスピーカーに繋ぐと、コーンが震えて音が聞こえましたが、発泡スチロールを浮かすことは出来ませんでした。もし、28kHzで超音波送受信機が動いたとしても、波形が非対称で難しいかも知れないですね。

      Facebookのコメントで圧縮された空気と聞いて、私も圧力が低いのでは?と思い、M先生にお伺いしたところ圧力の時間変動があることを教えて頂きました。

      なんだか自分で理解できない難しい実験をやってしまって、いい加減な説明ばかりして申し訳なく思っています。

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  3. お詫びです。chieさんが皆さんの疑問等に応えるため、すぐ実験した結果を拝見して私の送受素子に対する考えは間違っていました。秋月通商及び関係するページからから、同じ素子ではないかもしれませんが「送信専用は40kHzにおいて音圧最大、受信専用は40kHzにおいて感度最大になるようにチューニングされています。」という記述があり、重力の影響を考えるとTを下にRを上に配置するのがいいと思いました。Rに給電することは単なる反射板よりはかなり効果があるということだと思います。

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    1. 渡辺先生、そうなんです。
      Tを上にRを下にして両方に給電してみたのですが
      発泡スチロール球は流れてしまって、浮かべるのが難しかったです。
      なるほど、40kHzでTは音圧最大でRは感度最大なのですね。
      少しだけ、TとRの違いがわかりました。
      ありがとうございます♪

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  4. 圧力の時間変動は40KHzのことではないでしょうか。発泡スチロール球の振動の様子を見ていると40kHzではないですよね。ブラウン運動みたいなイメージでしょうか。
    chieさん、いい加減とは絶対思いません。考えることはとても楽しいです。私にとっては難しいですが。

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    1. 昨日色々と教わった結果、圧力の時間変動は40KHzの定常波の0点のところで最大になるというように理解しました。
      発泡スチロール球がブラウン運動のようなイメージというのは
      細かくランダムに動いているようなイメージなのでしょうか?
      やっぱりまだよくわからずにすみません。

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  5. このブログも更新し続けてくれているのですね。嬉しいことです。発泡スチロール球は空気粒子の変位についての定常波の腹のところに固定されていると思います。というのは節のところは圧力変化最大のところですが空気粒子の変位に関しては節の点に両側から集まったり、両側へ離れて行ったりで一振動における変位変化は小さいです。腹のところではそれが最大且つ速度も最大です。また発泡スチロール球が受ける力は圧力差というよりも力積と考えられますので、腹のところだと思っています。ただ、この音波の波形は正弦波、矩形波どちらに近いのか気になってはいます。ブラウン運動の表現も不適格な気がしてきました。空気分子との衝突ではなく空気塊との衝突、振動する風の感じです。自分でもわかっていないなーと思います。

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    1. 渡辺先生、ありがとうございます。
      ちょうど先ほど、渡辺先生がコメント下さったことに関連する図を1枚追加アップしました。
      昨日からM先生に色々とご教授頂きながら、まとめてみたものです。
      波形の件ですが、モータードライバーから出力される波形はどちらかと言えば矩形波に近い感じですが
      これがそのままスピーカーからの波形とはならないのでしょうね?

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