Акустический тяговый луч (собираем устройство из фантастических фильмов)
Многие любители фантастики читали или видели в фильмах, как НЛО зависает над человеком, и из «тарелки» вниз начинает светить луч света. Затем по этому лучу человек, или любой другой предмет, «втягивается» на борт корабля.
Фантастика скажет большинство. Но ненужно торопиться, многие вещи, которые казались фантастикой 50-40 и даже 10 лет назад, уже привычны в современном мире.
Конечно, представленное в этой статье устройство не может поднимать человека, но кто знает, как эта технология разовьется через некоторое время.
Итак, с помощью этого руководства вы сможете получить в свои руки устройство, которое видели только в научно-фантастических фильмах, таких как «Звездные войны» или «Звездный путь».
Тяговые лучи (или в некоторых переводах «лучи трактора») — это волны, которые могут притягивать частицы к источнику. Сборка устройства несложная, а стоимость комплектующих около 75 долларов.
В статье делается упор на технической части, а желающие познакомиться с теорией, могут ознакомиться с исследовательскими работами государственного университета Навары специализирующегося в этой области.
How Acoustic Tractor Beams Work
Acoustic Delay Lines for Compact Tractor beams
Инструменты и материалы:
-Преобразователи (ультразвуковые датчики) 30x 16 мм, 40 кГц MSO-A1640H10T являются лучшими, но минимальный их заказ составляет 500 штук. В качестве альтернативы можно использовать другие 16-миллиметровые преобразователи 40 кГц;
-Arduino Nano;
-Модуль драйвера двигателя постоянного тока L298N ;
-Повышающий преобразователь;
-2S Lipo аккумулятор (7,4 В) + зарядное устройство;
-11 винтов M3 6 мм и гайки M3;
-Деревянный брусок 300x45x15 мм;
-3D-принтер;
-Перфорированная плата;
-Переключатель;
-Три тактовые кнопки;
-Перемычки;
-12AWG черно-красный провод;
-Шарики из пенополистирола;
-Прозрачный материал (металлическая сетка, очень тонкая ткань и т.д);
-Паяльные принадлежности;
-Дрель;
-Клеевой пистолет;
-Мультиметр;
-Нож;
-Отвертка;
-Плоскогубцы;
-Осциллограф с двумя каналами (опционально).
Шаг первый: схема
Схема не сложная. По сути, Arduino будет генерировать 4 полуквадратных сигнала при 5Vpp 40kHz с разными фазами. Эти сигналы усиливаются драйвером двигателя до 25 В (размах) и подаются на преобразователи. Кнопочную панель можно использовать для изменения фаз, чтобы частица двигалась вверх и вниз. Аккумулятор (7,3 В) питает Arduino и логическую часть драйвера двигателя. Преобразователь увеличивает напряжение с 7,3 В до 25 В.
Шаг второй: 3D-печать
Преобразователи будут установлены в напечатанной на 3D-принтере полусфере. Такая форма позволяет естественным образом сфокусировать луч.
Для печати мастер использовал принтер Ultimaker Extended 2+ с соплом 0,4 мм и настройками Normal. Никакой опоры не нужно, только край. У него не обязательно должна быть идеальная поверхность, поэтому любой обычный принтер должен подойти.
Файл для печати можно скачать ниже.
Bowl.STL
Шаг третий: подготовка Ардуино
К плате Ардуино нужно припаять разъемы. Затем загружаем приложенную программу в Arduino Nano.При необходимости нужно обновить драйвера.
DriverNano_tractor.ino
Так же необходимо зарядить аккумулятор.
Шаг четвертый: ручка (корпус)
Дальше нужно вырезать ручку для устройства. Она же будет играть роль корпуса для электроники.
Размеры бруска 300x45x15 мм. К торцу бруска прикручиваем пластиковую полусферу, предварительно просверлив отверстия. Дальше полусферу нужно демонтировать.
Шаг пятый: установка электроники
Дальше сверлим крепежные отверстия и прикручиваем с одной стороны ручки преобразователь постоянного тока, с другой — драйвер.
Очень важно, чтобы сторона ВЫХОДА конвертера была ближе к полусфере.
Теперь нужно снять перемычку с драйвера.
С помощью липучки, двухстороннего скотча или горячего клея приклеиваем Arduino под драйвером так, чтобы порт USB был направлен вправо.
Устанавливаем перемычку между контактами D10 и D11 .
Дальше сверлим пять отверстий для проводов, два над драйвером и три под Ардуино.
Дальше нужно припаять провода к переключателю. Средние контакты будут подключаться к регулятору напряжения, правые контакты идут к разъему постоянного тока, а левые — к контактам разъема аккумулятора.
Красный провод — плюс (+), черный — минус (-).
Для контактов разъема аккумулятора можно использовать штыревые разъемы, смонтировав их на небольшом кусочке платы.
Питание подается в цепь либо от разъема постоянного тока, либо от батареи.
Можно использовать любой адаптер постоянного тока от 9 В до 12 В, который может обеспечить ток не менее 2 А.
Дальше прикрепляем аккумулятор.Это можно сделать с помощью двустороннего скотча или липучки.
Протягиваем провода в отверстия и подключаем их к повышающему преобразователю. Эти провода будут передавать повышенное напряжение (обычно 25 В) от преобразователя постоянного тока к драйверу.
Дальше приклеиваем переключатель и разъем питания.
Дальше подключаем 7.4V на DCConverter IN.
Сначала подключаем черный провод заземления (-) от центральных контактов коммутатора к входу DCConverter IN (-). К этому же контакту подключаем землю для Arduino.
Затем подключаем красный (+) провод от центрального контакта Switch к DCConverter IN (+). К этому же контакту подключаем VIn Arduino и логический блок преобразователя (контакты, с которых ранее была снята перемычка, очень важно подключить ее к выделенному контакту).
Также возможно получить напряжение для Arduino от преобразователя. Вместо подключения Converter.IN (+) к Arduino.VIn можно использовать DCConverter (5V) к Arduino (V5).
Дальше подключаем сигнальные провода. Эти четыре провода передают данные от Arduino к драйверу.
Arduino — (A0, A1, A2, A3) к драйверу — (IN1, IN2, IN3, IN4).
Кнопочная панель не является обязательной, но если ее можно поднимать и опускать шарики из полистирола вверх и вниз.
Идея состоит в том, чтобы иметь три контактных площадки, которые при нажатии замыкаются с землей (кнопки активны на низком уровне).
Подключаем Arduino к общему контакту кнопок. Затем подключаем каждую из кнопок к D2 (вверх), D3 (вниз) и D4 (положение сброса).
Шаг шестой: регулировка и проверка
Теперь нужно установить напряжение.
Сначала подключаем аккумулятор, соблюдая полярность. Включаем устройство. Поворачиваем потенциометр против часовой стрелки, пока на дисплее не будет 10 В.
В конечном устройстве будет использоваться 25 В, но для тестовой проверке безопаснее работать при 10 В.
Этот шаг не является обязательным, но с помощью него можно проверить, все ли работает нормально.
Подключает один щуп к заземлению. Перед драйвером сигналы должны быть 5Vpp, а после драйвера 10Vpp.
Сигналы с одной стороны синфазны, а сигналы с противоположных сторон должны быть не в фазе.
Шаг седьмой: ультразвуковые датчики
На корпусе ультразвуковых датчиков есть маркировка +/-, но она не всегда верна и необходимо проверить полярность перед монтажом.
Сделать это можно разными способами.
Например с помощью мультиметра и медной ленты.
Самый простой способ обозначить полярность — использовать саму Arduino..
Установите код на Arduino.
nanoScope.ino
Подключаем один провод к A0, а другой провод к GND. Пока Arduino подключен к ПК, запускаем Tools->Serial Plotter и убеждаемся, что скорость установлена на 115200. Когда преобразователь подключен между A0 и GND, сигнал будет выполнять одно из следующих действий:
Сигнал падает или остается равным 0. Отметьте ножку, подключенную к GND.
Сигнал повышается или остается на уровне 1023. Отмечаем ножку, подключенную к A0.
При этом важно не прикасаться к ножке датчика или проводам.
Так же можно проверить полярность с помощью осциллографа. Подключаем к одной ноге щуп и иголкой нажимаем на мембрану датчика. В зависимости от сигнала маркируем выходы.
Или подключаем к датчику питание от преобразователя. Подключаем щуп осциллографа. Подключаем к преобразователю второй ультразвуковой датчик и направляем его на первый. Если сигналы совпадают по фазе, отмечаем ногу, подключенную к земле. Если они не в фазе, отмечаем другую ногу.
Шаг восьмой: монтаж датчиков
Теперь можно собрать самую главную часть устройства. Внутрь полусферы устанавливаем ультразвуковые датчики, сориентировав их положительными ножками вверх.
В нижний ряд пока ничего не устанавливаем.
Теперь нужно подключить датчики и здесь есть несколько методов.
Сложный метод.
Отрежьте необходимую длину провода. Снимите изоляцию с провода в тех местах, где он проходит рядом с ножкой.
Припаяйте провод к ножкам. Повторите операцию проводом другой полярности.
Простой метод.
Этот метод аналогичен первому, но используется оголенный провод, что намного упрощает монтаж.
После монтажа проверяем ультразвуковые датчики. Подключаем минус от датчиков полусферы к заземлению драйвера.
Подключаем 4 красных провода от полусферы к выходам драйвера, соблюдая нумерацию.
Подключаем два дополнительных датчика с маркировкой к зондам осциллографа. Обязательно подключаем заземление к отмеченной ножке (или, по крайней мере, подключаем два датчика таким же образом). С помощью этих преобразователей можно проверить излучаемый сигнал других преобразователей.
Преобразователи из одной и той же половины сферы должны излучать синфазно. Преобразователи из противоположных половин излучают в противофазе.
Преобразователи с неправильной полярностью следует распаять, повернуть и припаять заново.
Дальше прикручиваем полусферу к корпусу и подключаем согласно схеме. При этом напряжение необходимо отрегулировать на 25 В.
Шаг девятый: тестирование устройства
Все готово и можно протестировать устройство.
Включите устройство, вы должны немного почувствовать звук или услышать его, если направить его на большой кусок пенополистирола или пенопласта.
Используя прозрачный лист (сетка, тонкая ткань) помещаем в центр полусферы шарики пенопласта. Шарики должны «зависнуть» по центру сферы. Нажимайте кнопки, чтобы переместить шарики вверх или вниз.
В зависимости от размера шарика и того, насколько близко он к сфере, можно повернуть ее в сторону или вверх дном. Также возможно поднимать шарики лежащие на поверхности.
Шаг десятый: другие устройства
в статье рассказано, как создать наиболее эффективное устройство, но есть и другие устройства, требующие еще меньше электроники, хотя они не так эффективны с точки зрелищности и мощности левитации в ваттах.
Для этих устройств потребуются ультразвуковые датчики 1 см MA40S4S, провода и разъемы меньшего размера, а также другая версия кода для Arduino (которая всегда генерирует сигнал 40 кГц).
Signal40Khz.ino
Для первой версии распечатайте прикрепленный файл STL. Преобразователи вставляются в нижние отверстия, и все они приводятся в действие одним и тем же сигналом.
Coils.stl
Для второй версии распечатайте прикрепленный файл STL. Преобразователи вставляются в нижние отверстия, и все они приводятся в действие одним и тем же сигналом.
Tubes.stl
На видео ниже можно подробно посмотреть процесс сборки устройства и результаты его тестирования.
P.S. Для желающих собрать данное устройство советую ознакомиться с оригинальной статьей по ссылке «источник» и обязательно прочесть комментарии, в которых подробно разбираются неисправности.
Источник (Source)
Источник: