超声波驻波悬浮演示装置的制作方法

1.本技术涉及科普演示仪器技术领域，尤其涉及一种超声波驻波悬浮演示装置。


背景技术：

2.声驻波现象最早是在1866年德国物理学家昆特（august kundt）在实验中观察到的，即小灰尘颗粒向水平管中产生的驻波的压力节点移动，堆积形成的疏密颗粒堆表现了驻波的节点位置。德国物理学家布克斯和穆勒（bucks.k, muller.h）在1933年设计了一个声悬浮实验装置让轻质颗粒能悬浮在略低于辐射器和反射器之间驻波压力节点的位置。超声波悬浮由于科学原理和设备构成都相对简单，因此使用超声波悬浮设备在物理教学和科普展示的场合进行演示。超声波由换能器发出，在换能器辐射面和平面反射板之间的多次反射，当两者间距为半波长的倍数时，就会形成驻波。驻波的节点处在辐射声压作用下，形成稳定的高压区和低压区。根据伯努利原理，可以对有效直径小于波长的固体或液体样品上下两侧形成气压差。当气压差形成的作用力向上，并且大于样品所受重力，可以悬浮在压力节点的稳定区发生轴向悬浮。
3.在现有超声波驻波悬浮演示装置中，多为不可调节的结构，少数能够调节的装置则由演示者手动调节声波辐射面与反射面间距，以获得稳定的驻波，但由于调节装置的精度不够（如采用导轨推拉实现距离调节等）或者演示者用力过度，不能很好地实现快速调节形成驻波现象。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本技术采用如下技术方案实现：
5.一种超声波驻波悬浮演示装置，包括支撑平台、调节装置、超声波换能器以及反射板；
6.所述支撑平台上面固定设置有所述调节装置和所述超声波换能器；
7.所述调节装置包括调节装置底板，所述调节装置底板上面竖直设置有滑轨和丝杆；滑轨和丝杆二者相互平行，这样才能保证滑块顺利滑动实现上升或者下降调节。所述滑轨和丝杆上滑动设置有滑块；所述滑轨和丝杆的上部设置有顶板，顶板上面开设有与滑轨和丝杆相对应的孔，孔内设置有铜套或者轴承，滑轨和丝杆穿设在铜套或者轴承里。所述丝杆的顶部固定设置有调节手轮；
8.所述滑块的前侧固定设置有托架，所述托架的上面固定设置有托板，所述托板的上面可拆卸设置有所述反射板；托板的上面可以设置固定用的结构，比如夹子、螺栓孔等，以便于固定各种不同材质的反射板。
9.所述超声波换能器位于所述反射板的正下方。工作的时候，启动超声波换能器使其正常工作发出超声波，然后手动旋转调节手轮，调节手轮带动丝杆旋转，其上的滑块在螺纹的作用下沿着滑轨向上或者向下移动，因此也带动滑块上的托架、托板以及反射板向上或向下移动，从而实现精准调节形成驻波现象。这样的结构采用了丝杆和滑轨，能够实现非
常高精度的条件，解决了现有技术如采用导轨推拉实现距离调节精度不高加上演示者不熟悉而很难实现快速调节形成驻波现象的问题。
10.优选地，所述丝杆采用滚珠丝杆；这样能够提高精度延长使用寿命并减少磨损和噪音。
11.所述滑轨设置有两根，两根滑轨的横截面均为圆形，二者平行设置在丝杆的两侧。这样的结构使得整个装置更为稳定可靠。
12.优选地，所述调节装置底板的上部四周均设置有侧挡板，所述侧挡板共有四块，分别将丝杆和滑轨围挡在中间。这样的结构主要是为了保护丝杆和滑轨不受外部粉尘影响或者防止受到撞击而导致其精度下降。侧挡板的高度应当与滑轨的高度相当，能够将调节装置底板和顶板相互连接，其连接的方式采用螺丝钉连接。
13.优选地，所述托架的横截面呈u形结构，其采用铝合金材料制成；这样的结构便于支撑托板还不影响其与滑块和托板两个方向的固定。
14.所述托板采用铝合金板材制成，其上开设有反射板固定螺纹孔。
15.优选地，所述调节装置底板的底部固定设置有步进电机，所述步进电机的输出转轴通过联轴器与所述丝杆的底部固定连接。步进电机应当配置有步进电机控制器，这样的设计主要是考虑部分演示需要远程调节或者自动调节的需要，如装置设置在一个被玻璃罩密封起来的时候，可以采用按钮控制步进电机实现调节，或者为了能够实现快速调节，采用控制器进行自动调节等。
16.优选地，所述调节装置底板的上面固定设置有检测传感器，该检测传感器位于所述托板的正下方。检测传感器用于检测反射板与超声波换能器的距离的，可以用非接触式的传感器，比如超声波传感器或者激光测距传感器，能够检测距离以及速度，以便于在自动控制模式下配合步进电机实现快速调节的作用。
17.优选地，所述支撑平台包括支撑顶板以及平台支架，所述平台支架采用铝型材制成四脚方桌结构，其内设置有两层，每一层都设置有隔板；
18.所述支撑顶板上面固定设置有所述调节装置以及超声波换能器。
19.优选地，所述两层为上层和下层，所述上层的高度小于下层的高度，支撑顶板上开设有步进电机预留窗，用于穿入步进电机；
20.所述下层上放置有控制箱，所述控制箱内设有超声波发生电路、步进电机控制电路以及微控制器。步进电动机、超声波换能器、检测传感器都分别通过导线和控制箱内的对应接口连接，整个装置的调节过程都可以通过微控制器进行协同控制，这样就可以大大提高演示的效率，减少人为参与。
21.本技术通过在支撑平台上设置调节装置和超声波换能器，其中调节装置采用滑轨和丝杆构成，丝杆上面设置有调节手轮，通过调节手轮能够带动滑轨上的滑块上下移动，滑块上的反射板也相应移动从而实现精准调节形成驻波现象，解决了现有技术如采用导轨推拉实现距离调节精度不高加上演示者不熟悉而很难实现快速调节形成驻波现象的问题。该装置结构简单，成本低廉，操作方便，体积小，重量轻。
附图说明
22.图1是本技术提供的实施例一总体结构示意图；
23.图2是本技术提供的实施例一爆炸示意图；
24.图3是本技术提供的实施例二立体结构示意图；
25.图4是本技术提供的实施例二主视图；
26.图5是本技术提供的实施例二左视图；
27.图6是本技术提供的实施例二俯视图。
具体实施方式
28.为使本技术实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施方式中的图1~6，对本技术实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本技术一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本技术中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本技术保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本技术的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施方式。在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
29.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
30.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
31.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
32.实施例一
33.如图1和图2所示，一种超声波驻波悬浮演示装置，包括支撑平台1、调节装置2、超声波换能器3以及反射板4。支撑平台1为平面结构，其上面固定设置有调节装置2和超声波换能器3。
34.如图2所示，调节装置2包括采用铝合金板材制成的调节装置底板20，调节装置底板20上面竖直设置有滑轨21和丝杆22，滑轨21和丝杆22二者相互平行，这样才能保证滑块
23顺利滑动实现上升或者下降调节。为了使结构更为稳定，本实施例优选滑轨21设置有两根，两根滑轨21的横截面均为圆形，二者平行设置在丝杆22的两侧。滑轨21和丝杆22上滑动设置有滑块23，滑轨21和丝杆22的上部设置有顶板24。其中，丝杆22采用滚珠丝杆；这样能够提高精度延长使用寿命并减少磨损和噪音。顶板24上面开设有与滑轨21和丝杆22相对应的孔，孔内设置有铜套或者轴承，滑轨21和丝杆22穿设在铜套或者轴承里。丝杆22的顶部固定设置有调节手轮25。
35.滑块23的前侧固定设置有托架230，托架230的上面固定设置有托板231，托板231的上面可拆卸设置有反射板4。托板231的上面可以设置固定用的结构，比如夹子、螺栓孔等，以便于固定各种不同材质的反射板。本实施例优先托板231采用铝合金板材制成，其上开设有反射板固定螺纹孔。托架230的横截面呈u形结构，其采用铝合金材料制成；这样的结构便于支撑托板还不影响其与滑块和托板两个方向的固定。
36.超声波换能器3位于反射板4的正下方。
37.此外，调节装置底板20的上部四周均设置有侧挡板26，侧挡板26共有四块，分别将丝杆22和滑轨21围挡在中间。这样的结构主要是为了保护丝杆22和滑轨21不受外部粉尘影响或者防止受到撞击而导致其精度下降。侧挡板26的高度应当与滑轨21的高度相当，能够将调节装置底板20和顶板24相互连接，其连接的方式采用螺丝钉连接。
38.工作的时候，启动超声波换能器3使其正常工作发出超声波，然后手动旋转调节手轮25，调节手轮25带动丝杆22旋转，其上的滑块23在螺纹的作用下沿着滑轨21向上或者向下移动，因此也带动滑块上的托架230、托板231以及反射板4向上或向下移动，从而实现精准调节形成驻波现象。这样的结构采用了丝杆和滑轨，能够实现非常高精度的条件，解决了现有技术如采用导轨推拉实现距离调节精度不高加上演示者不熟悉而很难实现快速调节形成驻波现象的问题。
39.进一步地，如图2所示，调节装置底板20的底部固定设置有步进电机27，步进电机27的输出转轴通过联轴器与丝杆22的底部固定连接。步进电机27应当配置有步进电机控制器，这样的设计主要是考虑部分演示需要远程调节或者自动调节的需要，如装置设置在一个被玻璃罩密封起来的时候，可以采用按钮控制步进电机实现调节，或者为了能够实现快速调节，采用控制器进行自动调节等。
40.实施例二
41.如图3~6所示，在实施例一的基础上，在调节装置底板20的上面固定设置有检测传感器5，该检测传感器5位于托板231的正下方。检测传感器5用于检测反射板4与超声波换能器3的距离的，可以用非接触式的传感器，比如超声波传感器或者激光测距传感器，能够检测距离以及速度，以便于在自动控制模式下配合步进电机实现快速调节的作用。
42.此外对支撑平台也进行了改进优化，如图3所示，支撑平台1包括支撑顶板10以及平台支架11，平台支架11采用铝型材制成四脚方桌结构，其内设置有两层，每一层都设置有隔板。支撑顶板10上面固定设置有调节装置2以及超声波换能器3。两层为上层12和下层13，上层12的高度小于下层13的高度，支撑顶板10上开设有步进电机预留窗，用于穿入步进电机。下层13上放置有控制箱6，控制箱6内设有超声波发生电路、步进电机控制电路以及微控制器。步进电动机、超声波换能器、检测传感器都分别通过导线和控制箱内的对应接口连接，整个装置的调节过程都可以通过微控制器进行协同控制，这样就可以大大提高演示的
效率，减少人为参与。
43.具体的原理和操作如下：
44.根据声速（ν）、频率（
ƒ
）和波长（λ）的关系：λ=ν/
ƒ
。要得到超声波驻波的准确半波长（λ/2），只需要确定超声波的工作频率和实际的声速这两个变量。
45.（一）自动扫频获取工作频率（
ƒ
）
46.参考目前市面上常见超声波焊机工作原理：在一定范围（一般为标称频率的5%，例如标称20khz，则频率范围限定19500-20500hz）使用间隔或者连续变频，向换能器输出驱动电压，同时通过检测换能器工作电流；当超声换能器处于谐振状态时，其工作电流的振幅最大，即此时超声换能器的工作电流也最大；也就是说，只要电流检测电路搜索到超声换能器的最大工作电流，也就找到了谐振频率点。
47.实现该部分功能的系统构成有：微处理器、电流检测电路、正弦波发生电路和高频功率放大电路，这些都设置在控制箱内。具体实现过程为：
48.1. 由微处理器按照10hz的步进值，从频率范围下限起每间隔20ms输出长度20ms的pwm信号，通过正弦波发生器转换成正弦波驱动高频功率放大电路，向换能器输出正弦波驱动电压；
49.2. 利用电流检测电路对超声换能器的工作电流进行在线采样、辨识，通过a/d转换之后，由微处理器储存，直至驱动频率达到检测频率上限。
50.3. 微处理器根据检测和记录下的电流值遍历得出最大电流值，将对应的频率信号输出，驱动换能器工作。从而达到输出驱动频率与超声换能器自身的机械谐振频率一致的目的，实现自动跟踪超声换能器自身的机械谐振频率的功能。
51.（二）获取周围环境实时声速（ν）
52.声速在干燥空气中传播时受到环境温度的影响，它与温度的关系可表示为：c=331.6+0.6t(m/s)(其中t为摄氏温标,331.6（m/s）是声波在空气中温度为0摄氏度时的传播速度)。由于通常声速变化相对较小，在要求不高的实验中都采用350（m/s）的经验值。在工作频率固定的情况下，δλ=δν，即波长变化与声速变化成正比。在我国幅员辽阔四季变化中，冬季最低气温可低至零下10摄氏度甚至以下，最高气温达到甚至超过40摄氏度，致使声速范围可预期的极端变化范围从约325（m/s）至355（m/s）变化幅度约10%，误差范围已不能忽略。
53.本装置中采用了固定距离测量回波的方式检测实际声速。测速由硬件的检测传感器和预加载相应软件的微处理器组成。其中，超声波发射兼接收器采用常见的超声波探头，即能发射一定功率的超声波也能作为传感器。
54.具体实现过程为：
55.1. 在装置安装调试过程中，通过预制的精密量规（100
±
0.1mm）确定超声波发射器的发射面与反射面之间间距（d），然后所有部件妥善固定。
56.2. 微处理器输出一个宽度约10μs的脉冲电平，让发射器产生一个声波脉冲，经由反射板反射回来，在发射器兼接收器上产生相应的脉冲电平，记录下发射至接收回来的时间差（δt）即可计算出声速ν，即ν=2d/δt。
57.（三）自动调节导致辐射面与反射面间距
58.本装置中，安装反射板的是一个精密滑轨组件中的移动块。移动块本身固定在精
密丝杆上，丝杆的转动导致移动块的滑动，即升降台（托架和托板）的升降。丝杆两端分别固定的供观众自行转动体验的手轮和步进电机。由于步进电机的转动步进与丝杆的每圈移动量均可获知精确值，通过转动步进电机的指定步数即可令升降台移动确定的距离。
59.在开机后，微处理器输入驱动信号，步进电机转动，将升降台下降直至接触到换能器表面停下。根据经验，发射与反射间距约为5至8倍半波长的距离即可较好悬浮效果并且减少视线遮挡。
60.实验效果
61.经试制原型机，在开机一系列自动动作完成后，使用塑料泡沫小颗粒进行测试，达到效果预期的目的。
62.本技术通过在支撑平台1上设置调节装置2和超声波换能器3，其中调节装置2采用滑轨21和丝杆22构成，丝杆22上面设置有调节手轮25，通过调节手轮25能够带动滑轨21上的滑块23上下移动，滑块23上的反射板4也相应移动从而实现精准调节形成驻波现象，解决了现有技术如采用导轨推拉实现距离调节精度不高加上演示者不熟悉而很难实现快速调节形成驻波现象的问题。该装置结构简单，成本低廉，操作方便，体积小，重量轻。