|
Met dit heel eenvoudig schakelingetje kunt u het principe van levitatie door middel van ultrasone staande golven van 40 kHz demonstreren en ermee experimenteren.  |
Wat is ultrasone levitatie?
Geluid ontstaat door drukverschillen
Zoals u ongetwijfeld weet ontstaat het geluid door drukverschillen tussen de moleculen die in de lucht aanwezig zijn. Die drukverschillen verplaatsen zich door de lucht met een snelheid van ongeveer 343 meter per seconde, ofwel 1.234,8 kilometer per uur. Let op dat het niet de moleculen uit de lucht zijn die zich verplaatsen, maar alleen de drukverschillen tussen deze moleculen.
In de onderstaande tekening is dit voorgesteld. Links staat een luidspreker die wordt gevoed door een wisselspanning. Het gevolg is dat de conus van de luidspreker heen en weer trilt. Als de conus naar rechts beweegt worden de moleculen in de lucht plaatselijk samengeperst. Op die plaats ontstaat een gebied van hoge druk. Als de conus weer naar links beweegt worden de moleculen plaatselijk uit elkaar getrokken. Er ontstaat een gebied van lage druk. Die gebieden oefenen onderlinge krachten op elkaar uit, zodat de drukgolven zich in totaliteit van links naar rechts gaan verplaatsen. Wij ontvangen deze drukgolven in onze oren en zij laten ons trommelvlies trillen.
 |
Het ontstaan van drukgolven in de lucht. (© Wetenschapsschool, edit 2022 Jos Verstraten) |
Het ontstaan van staande golven
Wat gebeurt er als u twee identieke luidsprekers loodrecht op één lijn zet met de conussen naar elkaar toe en beide spreekspoelen voedt met hetzelfde signaal? De bovenste luidspreker stuurt drukgolven naar onder, de onderste luidspreker stuurt identieke drukgolven naar boven. Bij een specifieke afstand tussen beide luidsprekers en bij bepaalde signaalfrequenties ontstaan zogenaamde 'staande golven' tussen beide luidsprekers. De zones met hoge druk en deze met lage druk van beide luidsprekers vallen precies samen en versterken elkaar. Tussen de twee speakers ontstaat dan een statische drukverdeling van gebieden van lage druk en gebieden van hoge druk.
De punten waar de luchtdruk het grootst is noemt men de 'buiken', de punten waar de luchtdruk het kleinst is de 'knopen'. De ruimte tussen de twee luidsprekers heet de 'caviteitsruimte'.
Als u nu een heel klein en licht voorwerpje, bijvoorbeeld een klein stukje piepschuim, voorzichtig in een zone met de laagste druk plaatst is de kans groot dat dit voorwerpje op die plaats blijft zweven. De nabij gelegen gebieden met een hoge druk oefenen immers twee identieke krachten uit op het voorwerp en deze krachten zijn vele malen groter dan de kracht die de zwaartekracht op het voorwerp uitoefent. Beide krachten werken tegengesteld, het voorwerp is krachtenloos en zoals Newton al wist blijft een stil liggend voorwerp, waarop geen kracht wordt uitgeoefend, stil liggen.
Het stukje piepschuim blijft tussen de twee luidsprekers in de lucht zweven!
 |
| Het ontstaan van staande golven. (© 2022 Jos Verstraten) |
Levitatie
Volgens het Algemeen Nederlands Woordenboek is de definitie van levitatie: 'een verschijnsel of toestand waarbij iemand of iets aan de zwaartekracht wordt onttrokken en zweeft, hetzij op een natuurkundig verklaarbare wijze, hetzij naar bewering door paranormale of bovennatuurlijke krachten'.
Het laten zweven onder invloed van de krachten van geluidsdruk is dus een typisch voorbeeld van levitatie.
Ultrasone levitatie
In de praktijk wordt hoofdzakelijk gebruik gemaakt van ultrasone geluidsgolven met een frequentie rond 40 kHz. De eerste reden is dat er heel wat akoestisch vermogen nodig is om zelfs de lichtste voorwerpen te laten zweven. Als men hoorbaar geluid zou toepassen, dan zou dit vanwege het noodzakelijk hoge volume niet erg gehoorvriendelijk zijn.
De tweede reden heeft iets te maken met de gewenste golflengte. De afstand tussen twee opeenvolgende knopen of twee opeenvolgende buiken is gelijk aan de helft van de golflengte van het toegepaste geluid. Om de hoge geluidsdruk te realiseren is het noodzakelijk dat de twee luidsprekers niet te ver van elkaar staan. Soms bedraagt die afstand maar een paar centimeter. Om in die kleine afstand een paar knopen en buiken te krijgen is het noodzakelijk dat de golflengte van het toegepaste geluid kleiner is dan 1 cm. De golflente van een geluidsgolf met een frequentie van 40 kHz bedraagt in de lucht ongeveer 9 mm en is dus goed bruikbaar.
Maar die 40 kHz is nog vanwege een andere reden heel erg geschikt...
Ultrasone transducers met resonantie bij 40 kHz
Voor het weergegeven van geluid met een frequentie van 40 kHz zijn luidsprekers volledig ongeschikt. De massa van de conus is veel te groot en de elasticiteit veel te klein. Gelukkig bestaan er al tientallen jaren zogenaamde piëzo-ceramische transducers. Bij dergelijke onderdelen wordt een plaatje van een bepaald materiaal aangesloten op een wisselspanning. Het gevolg is dat het plaatje gaat trillen. De massa is minimaal, de elasticiteit maximaal. Blijkbaar is het constructief erg eenvoudig en bovendien spotgoedkoop om zo'n transducer te maken met een resonantiefrequentie van 40 kHz. Dergelijke onderdelen werden vroeger gebruikt in parkeerhulpmiddelen, afstandsbedieningen, inbraakdetectoren en in apparaten waarmee men afstanden kon meten.
Het zal duidelijk zijn dat deze transducers ideaal zijn voor het experimenteren met het verschijnsel 'ultrasone levitatie'. In de onderstaande foto ziet u hoe een Chinees exemplaar er uit ziet. Dit is model MSO-A1640H10T van Manorshi Electronics met een resonantiefrequentie van 40,00±1,00 kHz en een maximale output van 110 dB. De afmetingen van de behuizing bedragen 10 mm bij 16 mm, u betaalt via AliExpress slechts € 0,78 voor twee stuks.
 |
| De ultrasone transducer MSO-A1640H10T. (© Manorshi Electronics) |
De TinyLev
Het idee van ultrasone levitatie is niet nieuw. Reeds in 1866 voerde Kundt dergelijke experimenten uit om de snelheid van het geluid in diverse media te bepalen. Ook bij NASA werd er druk geëxperimenteerd met het verschijnsel om op een goedkope manier op aarde het gedrag van vloeistofdruppels in zo goed als zwaartekrachtloze toestand te onderzoeken.
Dergelijke opstellingen waren echter zeer uitgebreid en duur en niet geschikt voor de hobbyist. Daar kwam verandering in door de openbare publicatie van het ontwerp van de 'TinyLev'. Deze ultrasone levitator bestaat uit twee paraboolvormige schotels die volgestouwd zijn met in totaal 76 ultrasone transducers. Door de paraboolvormige constructie worden de geluidsgolven gebundeld in het brandpunt van de twee schotels. Op die plaats ontstaan sterke staande golven en kan men kleine voorwerpen laten zweven.
Bouwpakketten van de TinyLev worden onder andere door Elektor en via AliExpress aangeboden. U betaalt er rond de honderd euro voor en dat is toch wel een heel bedrag voor een stukje speelgoed met geen praktische toepassingen.
 |
| Het ontwerp van de TinyLev. (© Researchgate, edit 2022 Jos Verstraten) |
Het goedkope alternatief?
Als u googelt op het begrip 'ultrasonic levitator' ontdekt u echter dat er via AliExpress en Banggood bouwpakketjes worden aangeboden voor ongeveer € 15,00. Het vreemde is dat deze gebruik maken van slechts twee ultrasone transducers die zonder enige bundeling hun akoestische energie naar elkaar uitstralen. In de onderstaande foto hebben wij twee populaire uitvoeringen voorgesteld. Als u deze apparaatjes vergelijkt met de TinyLev lijkt het onwaarschijnlijk dat dergelijke eenvoudige ontwerpjes voldoende akoestische energie genereren om iets te laten zweven, al is het maar een stukje piepschuim.
Vandaar dat wij een exemplaar van het rechter bouwpakketje hebben besteld en in de rest van dit artikel beschrijven wij onze ervaringen hiermee.
 |
| Twee uitvoeringen van het goedkope bouwpakket. (© 2022 Jos Verstraten) |
De GY20451 ultrasone levitator kit
Fabrikant, leveranciers en prijzen
Het door ons gekochte bouwpakket heeft als typenummer GY20451 en heeft een onbekende fabrikant. Wél is het, bij de bestudering van de foto's op de diverse webshops, duidelijk dat er van dit ontwerpje een aantal uitvoeringen in de handel is. Die modellen verschillen echter niet fundamenteel, maar op wat detailpunten zoals het aantal indicatie-LED's en het soort spanningsstabilisator. Bij Banggood is het door ons geteste model leverbaar onder productcode 1962118 voor € 15,46. Bij AliExpress lijken de aanbiedingen aanzienlijk goedkoper, maar moet u rekening houden met verzendkosten tot wel € 6,00, waardoor de totale prijs ongeveer identiek is.
De prestaties
Als wij de video's op AliExpress moeten geloven, doet de goedkope GY20451 vrijwel hetzelfde als de veel duurdere TinYLev: kleine stukjes piepschuim laten zweven. Als voorbeeld publiceren wij een deel uit een video die op een AliExpress-pagina staat. U ziet hoe stukjes van dit materiaal voorzichtig worden aangebracht op vier knopen van de staande golven tussen de twee transducers.
De levering van het pakket
Zoals helaas gebruikelijk bij goedkope Chinese leveringen worden de onderdelen samengeperst in een te klein plastic zakje. Het is nuttig om even onder de aandacht te brengen dat dit pakket gebruik maakt van zeer kleine SMD-componenten. Het solderen van deze millimeter grote onderdelen op het printje eist nogal wat ervaring, goede ogen en vaste handen! Dit bouwpakket is dus niet geschikt als eerste kennismaking met het solderen van elektronica onderdelen.
 |
| De levering van het pakket. (© 2022 Jos Verstraten) |
De geleverde onderdelen
In de onderstaande foto ziet u wat u krijgt voor uw vijftien euro. De drie ronde printjes vormen de 'behuizing' van de schakeling. Alleen de elco wordt geleverd als radiale component, de rest is allemaal SMD. De messing afstandsbusjes zorgen niet alleen voor de onderlinge afstand tussen de drie printjes, maar transporteren de stuurspanningen voor de ultrasone transducers naar deze onderdelen.
 |
| De inhoud van het bouwpakket. (© 2022 Jos Verstraten) |
De technische specificaties
Volgens de leverancier heeft de GY20451 de volgende spec's:
- Voedingsspanning: 12 Vdc
- Voedingsstroom: 70 mA
- Indicator: blauwe LED
- Caviteitsruimte: 15 mm
- Afmetingen: 40 mm x 40 mm x 64 mm
- Gewicht: 27 g
De bouwbeschrijving
Een bouwbeschrijving wordt uiteraard niet meegeleverd, maar die is wél te vinden op internet. Weliswaar beschrijft dit document een iets afwijkende versie, maar in grote lijnen kunt u er mee aan de slag. Wij hebben deze manual voor u bewaard in onze cloud op Google drive:
De elektronica van de GY20451
De aan ons geleverde versie van de GY20451 bevat slechts tien elektronische onderdelen. Het schema is dus snel gereconstrueerd en is uitgewerkt in de onderstaande illustratie.
De 12 V voedingsspanning wordt in U1, een AMS1117, omgezet in 5 Vdc voor het voeden van de microcontroller. Zowel de ingang als de uitgang van deze stabilisator worden ontkoppeld met de condensatoren C5, C1 en C2. Op de 5 V uitgang is LED1 via de serieweerstand R1 aangesloten. Als microcontroller wordt een STC15W104 toegepast. Deze heeft een ingebouwde klokgenerator, zodat geen externe onderdelen in dit schema noodzakelijk zijn. Op de uitgangen P3.2 en P3.3 verschijnen twee ten opzichte van elkaar geïnverteerde blokgolven met een frequentie van 40 kHz. Deze twee signalen sturen de twee ingangen van U3, een TCA4427. Dat is een dubbele 'High-speed Power MOSFET Driver'. De uitgangen worden door middel van twee MOSFET's of met de massa of met de voedingsspanning van 12 V verbonden. Deze twee uitgangen voeden rechtstreeks de twee piëzo-ceramische resonatoren TX1 en TX2.
 |
| Het schema van onze versie van de GY20451. (© 2022 Jos Verstraten) |
Maximaal akoestisch vermogen uit 12 V
De voeding van de resonatoren is erg slim bedacht. Door het sturen van deze onderdelen uit de twee ten opzichte van elkaar geïnverteerde uitgangen van de TCA4427 wordt een soort van brugschakeling gecreëerd die het maximaal akoestisch vermogen uit de 12 V voeding haalt. Dit is toegelicht in de onderstaande figuur.
In de ene toestand (rood) wordt de bovenste aansluiting van de transducers met de +12 V verbonden en de onderste aansluiting met de massa GND. Er vloeit een stroom in de ene richting door de transducers. Het kristal in de transducers zet uit en veroorzaakt een gebied met maximale geluidsdruk.
In de andere toestand (blauw) wordt de bovenste aansluiting van de transducers met de massa verbonden en de onderste aansluiting met de +12 V. Er vloeit een stroom in de andere richting door de transducers. Het kristal in de transducers krimpt en veroorzaakt een gebied met minimale geluidsdruk.
 |
| De besturing van de transducers. (© 2022 Jos Verstraten) |
De bouw van de GY20451
Het solderen van de basisprint
In de onderstaande figuur ziet u de componentenopstelling van de basisprint. U kunt beginnen met het solderen van de ene weerstand R1 en de twee condensatoren C1 en C2. Vertin een van de pad's op de print met een dun laagje tin. Leg, onder een vergrootglas, het SMD'tje met een pincet centraal tussen de twee pad's en voeg een beetje soldeer van de punt van uw soldeerbout toe aan het reeds vertinde pad. U ziet het tin smelten en de verbinding maken met het vertinde uiteinde van het onderdeel.
 |
| De componentenopstelling van de basisprint. (© 2022 Jos Verstraten) |
Soldeer vervolgens het tweede pad van het onderdeel. Inspecteer de soldeerverbindingen onder het vergrootglas. Het soldeer moet goed uitgevloeid zijn naar de vertinde delen van de onderdelen.
 |
| Het solderen van een SMD-weerstand. (© Tomislav Darlic) |
Vervolgens kunt u LED1 op dezelfde manier op het printje solderen. Let er echter op dat zo'n LED een anode en een kathode heeft en dat u deze niet mag verwisselen. De LED heeft twee groene stipjes en deze moet u op de onderstaande manier uitrichten op de print.
 |
| De positie van de LED op de print. (© 2022 Jos Verstraten) |
Nadien komt de AMS1117 aan de beurt. Deze chip moet u niet alleen op de drie smalle pad's aan de voorzijde solderen, maar ook op het iets grotere pad aan de achterzijde.
Nu moet u de STC15W104 en de TCA4427 monteren. Let op dat de positie van deze twee chip's niet identiek is, let op het putje in de behuizing dat naast pen 1 staat! Ook bij deze chip's start u met het vertinnen van een hoekpad. Nadien met het pincet de chip goed op de print positioneren en de tin op dit ene pad laten smelten op de pen van de chip. Nadien kunt u de zeven overige pennen solderen.
Tot slot soldeert u de elco C5 (let op de plus en de min) en de voedingsconnector op de print.
De eindmontage van de GY20451
Vervolgens soldeert u de twee ultrasone transducers op de twee overige ronde printjes. Let er op dat beide onderdelen op dezelfde manier op de printjes worden gesoldeerd!
 |
| De montage van de ultrasone transducers. (© 2022 Jos Verstraten) |
Tot slot schroeft u de drie printjes met de messing afstandbusjes op elkaar. Let ook hier op de plussen en de minnen op de drie printjes! De vier kortste afstandsbusjes worden gebruikt als pootjes onder de basisprint.
 |
| De volledig gemonteerde GY20451 aangesloten op een netstekkervoeding. (© Banggood) |
Het testen van de GY20451
Doet hij het of doet hij het niet?
Wij waren tamelijk sceptisch. Twaalf volt voeding bij 70 mA stroomverbruik betekent een opgenomen vermogen van slechts 0,84 W. Is een dergelijk vermogen (minus het vermogensverlies in de schakeling) in staat iets, al is het maar een stukje piepschuim, te laten zweven? Het leek er niet op, want ons bouwsel wilde niets laten zweven.
Een defecte TCA4427
In zo'n geval wordt de oscilloscoop ingeschakeld. De STC15W104 levert twee mooie geïnverteerde blokgolven met een frequentie van 39,29 kHz. Deze signalen verschijnen ook op de twee ingangen van de TCA4427. Deze chip levert echter twee merkwaardige uitgangssignalen die in niets lijken op spanningen die schakelen tussen 12 V en 0 V. Na grondige controle van de solderingen rond de TCA4427 blijken er geen fouten gemaakt te zijn. De massa en de voeding zijn op de pennen van de chip terug te vinden evenals de ingangssignalen. Wij kunnen alleen concluderen dat de geleverde TCA4427 defect is of defect is geraakt door te lang solderen.
 |
| De uitgangsspanningen van de STC15W104. (© 2022 Jos Verstraten) |
Wij experimenteren tóch verder!
Uiteraard hebben wij geen SMD-versie van de TCA4427 voorradig. Einde experiment? Dat hoeft niet, want een blokgolf met een frequentie van 39,29 kHz kunnen wij ook met onze functiegenerator aan de twee ultrasone transducers aanbieden. Weliswaar levert dit apparaat een maximale amplitude van 20,0 V en dat zal iets minder effect hebben dan de 12 V die via brugschakelingen aan de transducers wordt aangeboden. Maar het is het proberen waard.
Het werkt! In de onderstaande foto ziet u het bewijs! Wij zijn in staat een klein stukje piepschuim in de caviteitsruimte tussen de twee transducers te laten zweven. Er zijn twee posities waar dat lukt. Dat zijn dus de twee knopen van de staande golven die door de transducers worden geproduceerd.
 |
| Met de 20 V van onze functiegenerator kunnen wij één stukje piepschuim laten zweven. (© 2022 Jos Verstraten) |
Nog wat experimenten
Nu wij bevrijd zijn van de vaste frequentie en amplitude van de schakeling hebben wij uiteraard getest hoe ver de frequentie kan afwijken. Bij 20 V amplitude bleef het brokje piepschuim zweven tussen 37,8 kHz en 40,1 kHz. Als wij dit als 'bandbreedte' beschouwen en veronderstellen dat hierbij sprake is van een normale gauss-verdeling kan worden verwacht dat de transducers het meeste vermogen leveren bij 38,95 kHz. Dat bleek ook zo te zijn. Bij deze frequentie kan de amplitude van het signaal afnemen tot 13,5 V alvorens het piepschuim valt.
Ultrasonic Levitator Kit
