用 Arduino 制作超声波悬浮装置：分步指南
组件与物料
| Arduino UNO | ×1 |
| 超声波测距模块 HC-SR04 (拆取换能器) | ×1 |
| SparkFun 双 H 桥驱动板 L298 | ×1 |
| 9V 电池 | ×1 |
所需工具
- 无铅焊锡丝
- 电烙铁
- 10 根 5cm 跳线
应用与在线服务
- Arduino IDE
项目简介
看到物体像外星飞船一样悬浮在空中非常有趣，这就是反重力项目的核心。将小纸片或泡沫球放在两个超声波换能器之间，它们产生的声波使物体悬浮，看起来像反重力一样。
本教程将讲解超声波悬浮原理并指导制作悬浮装置。
步骤 1：原理 — 这是如何实现的？
要理解声学悬浮，先要了解重力、空气和声音。
- 重力：大质量物体 (如地球) 吸引小物体 (如苹果)。科学家尚未完全确定引力成因，但认为它普遍存在。
- 空气是流体：空气由微观粒子组成，行为类似液体，粒子间距较大、运动更快。
- 声音是振动：声波在介质 (气体、液体、固体) 中传播。敲钟时，钟振动推动空气分子产生压缩 (高压) 和稀疏 (低压)。真空中无声是因为没有介质传播振动。
声学悬浮器 主要由换能器 (振动面产生声波) 和反射器组成，常用凹面聚焦声波。声波从换能器发出，经反射器反射。三个基本特性使其能悬浮物体：
- 干涉：反射波与入射波叠加。压缩遇压缩增强，压缩遇稀疏抵消。
- 驻波：干涉与反射结合可形成驻波，表现为在空间振动而非传播。驻波有节点 (最小压力区) 和反节点 (最大压力区)。节点处压力极小，是声学悬浮的关键。
- 重力平衡：当驻波方向与重力平行时，节点处上下压力恒定，可托住轻小物体悬浮。
步骤 2：所需组件
- Arduino Uno / Nano (ATMEGA328P)
- 超声波模块 HC-SR04 (拆取换能器)
- L298 H 桥驱动模块
- 通用 PCB 板
- 7.4V 电池或电源 (需至少 2A 电流)
- 连接导线
步骤 3：电路原理图
核心原理：Arduino 产生 40kHz 方波，经 L298 驱动超声波换能器 (从 HC-SR04 拆下)。两个换能器面对面放置，中间留有间隙。声波在两者间形成驻波，节点处可悬浮轻小物体 (泡沫、纸片)。详见视频讲解。
步骤 4：制作换能器
从 HC-SR04 模块上拆下发射和接收换能器，去掉保护罩，焊接长导线。将两个换能器面对面安装在同一轴线上 (用泡沫板、螺母螺栓固定)，保证声波能在相反方向传播并相交。**位置对准至关重要。** 请观看制作视频获取更多细节。
步骤 5：编程
代码极简，利用定时器中断在 Arduino A0、A1 引脚输出 40kHz 方波驱动 L298。代码已上传 Gist：下载链接
步骤 6：连接电路
按原理图连接，注意共地。
步骤 7：注意事项与改进
- 换能器位置极其关键，需精心调整
- 仅能悬浮极轻物体 (泡沫、纸片)
- 电源需提供至少 2A 电流
- 尝试增加换能器数量或提高电压均未能悬浮大物体
- 改进方向：多发射器应排列成弧面结构以聚焦声场
步骤 8：致谢
有疑问请留言讨论。
代码
Gist 源码
https://gist.github.com/EDISON-SCIENCE-CORNER/3ebb7020d0dacbbae949afb8f29bfcc3
原理图
制造工艺
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