簡易超音波懸浮裝置
王志傑 翁辰旭 張朝晴 張豐兆 曲宏宇*
國立中正大學 物理學系 phyhyc@ccu.edu.tw
（投稿日期：109 年 08 月 03 日，接受日期：109 年 12 月 10 日）
摘要：超音波懸浮為近幾年頗為流行的課題，它可以在不需要直接接觸到物體的 情況下懸浮物體，更進一步甚至可以對其進行移動。為實現以超音波發射器作為 聲鑷子(Acoustic tweezers)[1]懸浮物體，我們以較簡單的設備做出概念裝置，並且 透過改變發射器與發射器之間的距離以及相對位置，以探討其懸浮能力及懸浮位 置變化。
關鍵詞：超音波懸浮
壹、 前言
操縱尺寸微小的物體時，會希望避免直接接觸目標物，一來不會因為觸碰物體而造成實 驗誤差，二來在某些實驗中可以方便觀測。而在非接觸式的物體操縱方法中，超音波懸浮在 懸浮物體的限制比其他懸浮技術少(例如磁力操縱只能操縱磁性物質)，因此超音波懸浮是一 個有發展潛力的項目。
貳、 實驗設計
一、原理
（一） 駐波：假設有兩個同速率、同頻率、同振幅、同相位、行進方向相反的波，互相交疊 後就會形成駐波，特徵是空氣介質會進行週期性的震盪，形成固定的節點。
（二） 聲輻射力(Radiation force)：音波在傳遞時會造成空氣密度改變而形成壓力的變化，稱 為「聲壓」，聲壓強度的差異會產生聲輻射力[2]。在一個超音波懸浮裝置形成的駐波 中，距離聲源半波長倍數的地方會出現節點，是壓力變化最小處，聲輻射力的變化量 理論上為零，而節點以外的地方的聲輻射力的方向會指向距離自己最近的節點，使得 物體不停地被推往節點。
（三） 聲波波長推算：𝑣 = (331 + 0.6 ∗ 𝑇) 𝑚/𝑠; 𝑓 = 40 𝑘𝐻𝑧, 𝑇 = 25 ℃; 𝜆＝𝑣/𝑓 ≅ 8.6 mm
10.6212/CPE.202012_21(2).0002
二、器材
（一） 超音波感測器(HC-SR04)(見圖 1 )是由超音波發射器、接收器和控制電路所組成。當它 被觸發的時候，會發射一連串40 kHz 的脈衝聲波並且從離它最近的物體接收回音。
由於我們只需要發射端，所以我們將其解焊，並拆除鐵網以避免有實驗誤差(見圖 2 )。
（二） 單軸懸浮裝置 (見圖 3 )[3]是利用 3D 雕刻機將壓克力板鑿洞，確保上下兩孔洞在同一 軸線上而且垂直於水平面。
（三） Y 字型懸浮裝置 (見圖 4 )是利用 3D 列印機列印製成，為了調整超音波發射器之間的 距離和相對位置而將整個裝置架高。
（四） Arduino Leonardo 開發板(見圖 5)是用來輸出頻率為 40 kHz 的 0-5 V 電壓訊號，我們 能夠讓超音波發射器持續發出頻率為 40 kHz 的聲波。
（五） 利用運算放大器 OP549T[4]製作同向電壓訊號放大電路(見圖 6)，為了增加超音波發 射器發出的聲波強度讓懸浮能力提升，所以用同向電壓訊號放大電路將輸入至超音波 發射器的驅動電壓放大。常見的馬達驅動器 L298N 能提供的電壓值在 0~35 V，而使 用運算放大器 OP549T 則可以提供 0~60 V 的電壓輸出是比較強力的驅動設備。
圖 1：HC-SR04 圖 2：超音波發射器
圖 3：單軸懸浮裝置 圖 4：Y 字型懸浮裝置
圖 5：Arduino Leonardo 開發板
圖 6：同向電壓訊號放大電路。其中 R1 = 4.56 kΩ, R2 = 0 ~ 47.7 kΩ, Vin = 0-5 V, Vout = Vin (1+ R2/ R1)
三、
如何懸浮
（一） 實驗步驟
使物體懸浮的原理是由製造一個駐波，在駐波產生的聲壓力場中讓物體懸浮在其 壓力小的地方，但要讓物體懸浮在空中不單單只是製造駐波那麼簡單:
1.
將Vout輸出腳位(見圖 8)接上示波器 CH1 和下方超音波發射器，將上方超音波發射器 接上示波器CH2，然後開啟電源。2.
使用示波器觀測，調整兩個超音波發射器震動平面的間距(d)將訊號 Vout 跟接收到的 超音波訊號調整至同樣相位(見圖 9)。3.
關閉電源，將上方的超音波發射器改接上Vout輸出腳位。4.
開啟電源，將懸浮物體放至節點的位置。Vin 由 Arduino Leonardo 開發板 A3 腳位輸 入
圖 8：調整駐波間距示意圖 圖 8.1：相位示意圖
（二） 實驗項目
1. 先選擇最基本的單軸懸浮裝置慢慢拉開間距，在經示波器觀察兩個發射器能夠產生駐 波後測量此距離是否為超音波波長的倍數，和在此情形下的懸浮數是否和理論吻合
（見圖9～圖 14）。
2. 經過上一步的實驗，可以知道在各項距離下可以懸浮的最多球數，於是下一個實驗就 取適當距離(d = 60.16 mm)為標準製造一個可調整偏移角度的裝置，然後將其中一顆 超音波發射器固定住，並對另一顆發射器做偏移，觀察在不同偏移角度下可懸浮物體 數量的極限，同時並觀察可懸浮物體的最大偏移角度(見圖 16~圖 20)。
(i)
(ii)
(iii) (iv)
圖 7：超音波發射器增強裝置(俯視圖)
圖例：
(i) 散熱片、風扇
(ii) 風扇、Arduino Leonardo 開發板的工 作電源(5V)
(iii) OP549T 的工作電源輸入腳位(60V) (iv) 𝑉𝑜𝑢𝑡輸出腳位
(v) Arduino Leonardo 開發板 (vi) OP549T
(vi)
圖 7.1：超音波發射器增強裝置(正視圖) (v)
參、 結果
一、單軸懸浮裝置
我們將兩片壓克力板各挖一個洞放入超音波發射器，藉由改變發射器之間的距離來改 變節點數量，結果如同下方表格所示：
圖 9：d = 22.12 mm ≈ 3𝜆 可懸浮3 顆球(上方發射器內有
1 顆)
圖 10：d = 34.98 mm ≈ 4𝜆 可懸浮5 顆球
圖 11：d = 42.13 mm ≈ 5𝜆 可懸浮7 顆球
圖 12：d = 51.00 mm ≈ 6𝜆 可懸浮9 顆球
圖 13：d = 60.16 mm ≈ 7𝜆 可懸浮11 顆球
圖 14：d = 82.16 mm ≈ 9𝜆 可懸浮4 顆球 圖 9~14 中，上下兩顆超音波發射器內其實各有 1 個節點，只是相機拍不到，d 代表發 射器震動平面之間的距離，由於發射器的震動平面和壓克力板平面之間的距離為 6.08 mm，
所以𝑑 = (板子之間的距離) + (6.08 mm * 2)。
我們可以驗證：
（一） 發射器之間的距離每增加 1 個波長(半波長 4.325 mm 的兩倍)，節點就增加 2 個。
（二） 7 倍波長是我們浮球的極限，超過七倍波長時，懸浮力就不足以讓每一個節點都浮 球，為了增加對比度，我們放上 d = 9 倍波長時的照片(見圖 14)，只能懸浮 4 顆球。
二、歪斜懸浮裝置
我們想觀察超音波發射器用不同的角度θ(見圖 15)歪斜時，節點的排列變化。因此我們將兩個超音波發 射器放置在同一圓之上，讓上方的超音波發射器在圓周 上移動。
從 d = 60.55 mm (7λ)開始歪斜，隨著θ愈來愈大，
節點排列形狀也愈來愈彎曲，懸浮力愈來愈弱，能浮的 球也愈來愈少，見圖 16 至圖 20。
圖 15：歪斜懸浮裝置示意圖
圖 16：θ= 0° 可懸浮 11 顆球 圖 17：θ= 30° 可懸浮9 顆球 圖 18：θ= 40° 可懸浮8 顆球
圖 19：θ= 45° 可懸浮7 顆球 圖 20：θ= 63° 可懸浮1 顆球
θ
一、Y 字型懸浮裝置
除了線型圖案，我們也用三個發射器讓節點排列成 Y 字型的圖案(見圖 21 )。由歪斜裝置 中可以得知，當超音波懸浮裝置即使不是對稱結構也可以懸浮，所以我們再進一步達成 Y 字 型的懸浮裝置，見圖 22 及圖 23。
圖 22：
1=
40°,
2=
50° 圖 23：
1=
55°,
2=
40°肆、 結論
使用 Arduino、HC-SR04 超音波發射器、運算放大器等容易取得的設備所製成的懸浮裝置，我 們的實驗有以下三個成果：
一、 單軸懸浮裝置的所有節點都能浮球的間距極限：d = 60.16 mm (7λ)，浮球數 11 顆。間 距每增加 1 個波長(8.65 mm)，節點就增加 2 個。
二、 歪斜程度如果超過 60°之後，懸浮數就會下降。
三、 可以用兩個以上的超音波發射器讓節點排列成其他形狀 (如 Y 字型)。
θ
1θ
2圖21：Y 字型懸浮裝置示意圖
參考文獻
1. Long Meng et al. (2019) Acoustic tweezers. J. Phys. D: Appl. Phys. 52, 273001 2. H. M. Hertz (1995) Standing-wave acoustic trap for nonintrusive positioning of
micropartparticles. Journal of Applied Physics, 78, 4845.
3. Micro Ultrasonic levitator | Make 網址
：
https://makezine.com/projects/micro-ultrasonic- levitator/4. OP549T Data sheet 網址
：
https://www.ti.com/lit/ds/symlink/opa549.pdf?ts=1592894349801&ref_url=https%253A%252F
%252Fwww.google.com%252F
Ultrasonic levitation
Jhih-Jie Wang, Chen-Syu Weng, Chao-Cing Chang, Fong-Jhao Chang and Hong-Yu Chu*
Department of Physics, National Chung Cheng University, Chiayi, Taiwan phyhyc@ccu.edu.tw
Abstract
Acoustic tweezers provides more flexibility to trap an object comparing to the uses of optical tweezers and magnetic tweezers. In this report, we use arduino to drive the ultrasonic emitters. The manipulation range is enhanced by using operational amplifier. The ability of suspending particles and the manipulating range with different emitters configuration are discussed.
Key words
