CN219979003U - 一种超声波悬浮装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超声波悬浮装置，属于科普演示仪器技术领域，包括结构相同的第一悬浮部件和第二悬浮部件；悬浮部件包括：X轴位移组件；Y轴位移组件，设于X轴位移组件上；超声波发射模块，设于Y轴位移组件上；第一悬浮部件中的第一超声波发射模块、第二悬浮部件中的第二超声波发射模块之间设有目标悬浮物，且第一超声波发射模块、第二超声波发射模块相对静止。本实用新型第一超声波发射模块、第二超声波发射模块分别在X轴位移组件、Y轴位移组件驱动下在X方向和/或Y轴方向同步运动，配合相位可调的超声波换能器，进而使目标悬浮物始终处于稳定悬浮状态并能够在XYZ三轴运动，提升了目标悬浮物悬浮的动态演示效果。

Description

一种超声波悬浮装置

技术领域

本实用新型涉及科普演示仪器技术领域，尤其涉及一种超声波悬浮装置。

背景技术

目前科技馆的悬浮类科技展品多为磁悬浮或超声波悬浮。磁悬浮原理是根据霍尔传感器检测悬浮物(永磁体)的位置，再控制电磁线圈动态调节电流大小，从而实现电磁铁的磁力刚好与悬浮物的重力相抵消，如磁悬浮地球仪。超声波悬浮是通过超声波换能器发出超声波，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。现有悬浮装置多为静态展示，少部分展品可通过机械结构实现悬浮物的升降动作(距离小于5cm)，演示效果仍有待提升。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的问题，提供了一种超声波悬浮装置。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：一种超声波悬浮装置，该装置包括结构相同的第一悬浮部件和第二悬浮部件；悬浮部件包括：

X轴位移组件；

Y轴位移组件，设于X轴位移组件上；

超声波发射模块，设于Y轴位移组件上；

第一悬浮部件中的第一超声波发射模块、第二悬浮部件中的第二超声波发射模块之间设有目标悬浮物，且第一超声波发射模块、第二超声波发射模块相对静止。

在一示例中，所述X轴位移组件包括顺次连接的驱动件X和传动组件X；Y轴位移组件包括顺次连接的驱动件Y和传动组件Y。

在一示例中，驱动件为电机或气缸。

在一示例中，所述驱动件连接有控制器。

在一示例中，传动组件包括丝杆、导轨、螺母座、滑块；驱动件与丝杆传动连接，且丝杆置于导轨之间，丝杆与螺母座螺纹连接，螺母座与滑块连接，滑块设于导轨上；X轴位移组件中，滑块与丝杆螺母座构成的平面上安装Y轴位移组件；Y轴位移组件中，滑块与丝杆螺母座构成的平面上安装超声波发射模块。

在一示例中，超声波发射模块包括若干超声波换能器，超声波换能器设于半球型基座上。

在一示例中，所述超声波换能器具有超声波相位调节功能。

在一示例中，所述超声波换能器经驱动器与控制器连接。

在一示例中，所述超声波换能器发射40KHZ超声波。

在一示例中，所述装置还包括透明展示箱，第一悬浮部件和第二悬浮部件设于展示箱中。

需要进一步说明的是，上述装置各示例对应的技术特征可以相互组合或替换构成新的技术方案。

与现有技术相比，本实用新型有益效果是：

1.在一示例中，第一超声波发射模块、第二超声波发射模块分别在X轴位移组件、Y轴位移组件驱动下在X方向和/或Y轴方向同步运动，第一超声波发射模块、第二超声波发射模块保持相对静止，使目标悬浮物始终处于稳定悬浮状态并能够在X、Y轴方向运动，提升了目标悬浮物悬浮的动态演示效果。

2.在一示例中，超声波换能器发出的超声波相位可调，进而通过改变超声波的相位实现目标悬浮物在Z轴方向的移动，配合X轴位移组件、Y轴位移组件能够实现目标悬浮物的XYZ三维运动，大大提升了动态效果；进一步配合宇宙背景，能够展现出震撼的宇宙星球效。

3.在一示例中，通过设置封闭式透明展示箱，实现了悬浮部件与外界条件的隔离，避免了外界条件对目标悬浮物的干扰，也避免了超声波换能器运行时对操作者造成物理伤害。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明，此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本实用新型一示例中的装置示意图；

图2为本实用新型一示例中的装置主视图；

图3为本实用新型一示例中的装置控制框图。

图中：第一X轴位移组件11、第二X轴位移组件12、第一Y轴位移组件21、第二Y轴位移组件22、第一超声波发射模块31、第二超声波发射模块32、展示箱4、悬浮物5。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系为基于附图所述的方向或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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实用新型的限制。此外，使用序数词(例如，“第一和第二”、“第一至第四”等)是为了对物体进行区分，并不限于该顺序，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

在一示例中，一种超声波悬浮装置，该装置包括镜像对称设置、结构相同的第一悬浮部件和第二悬浮部件。可选地，本示例中，第一悬浮部件、第二悬浮部件沿X轴上下对称设置，当然也可以沿Y轴对称设置等。

如图1所示，第一悬浮部件包括第一X轴位移组件11、第一Y轴位移组件21和第一超声波发射模块31。位移组件即具有沿着特定方向进行移动的功能组件，设于位移组件上的物体能够随着位移组件一同发生移动。优选地，如图1所示，本示例中第一X轴位移组件包括平行设置的第一X轴位移组件a和第一X轴位移组件b；第一Y轴位移组件设于第一X轴位移组件a、第一X轴位移组件b，能够保证Y轴位移组件在X方向的位移平稳性；第一超声波发射模块设于第一Y轴位移组件上，随第一Y轴位移组件在X方向和/或Y方向进行移动。

如图1所示，第二悬浮部件包括第二X轴位移组件21、第二Y轴位移组件22和第二超声波发射模块23。优选地，如图1所示，本示例中第二X轴位移组件包括平行设置的第二X轴位移组件a和第二X轴位移组件b；第二Y轴位移组件设于第二X轴位移组件a、第二X轴位移组件b，能够保证Y轴位移组件在X方向的位移平稳性；第二超声波发射模块设于第二Y轴位移组件上，随第二Y轴位移组件在X方向和/或Y方向进行移动。

进一步地，如图2所示，第一超声波发射模块31、第二超声波发射模块32正对设置，即第一超声波发射模块31、第二超声波发射模块32同轴上下层设置，第一超声波发射模块31、第二超声波发射模块32同时发射出超声能量波，当相向声波碰撞交织后形成驻波，微小质量的物体就能悬浮在驻波节点之上，达到悬浮的效果，即第一超声波发射模块31、第二超声波发射模块32之间悬浮有目标悬浮物5。更为具体地，第一超声波发射模块、第二超声波发射模块运动过程中始终保持相对静止(两个超声波发射模块始终正对分布)，即第一X轴位移组件、第二X轴位移组件保持同步运动，第一Y轴位移组件、第二Y轴位移组件保持同步运动，进而使悬浮物5始终处于稳定悬浮状态并能够在X、Y轴方向运动，提升了目标悬浮物5悬浮的动态演示效果。

在一示例中，第一X轴位移组件a、第一X轴位移组件b、第二X轴位移组件a、第二X轴位移组件b结构相同，均包括顺次连接的驱动件X和传动组件X。第一Y轴位移组件、第二Y轴位移组件结构相同，均包括顺次连接的驱动件Y和传动组件Y，即实质上所有位移组件的结构均相同。

在一示例中，驱动件为电机或气缸，本示例优选为现有步进电机，便于实现位移组件的位移精度控制。可选地，为实现位移组件的自动化位移，驱动件连接有控制器。控制器为单片机或PLC，也可以是其他控制器，本示例优选为单片机。更为具体地，STM32系列单片机的I/O端口经现有步进电机驱动电路与步进电机控制连接，进而实现步进电机的转向、转速、开关状态等。

在一示例中，传动组件包括丝杆、导轨、螺母座、滑块。具体地，驱动件的动力输出轴与丝杆传动连接，且丝杆置于两个导轨之间，丝杆与螺母座螺纹连接，螺母座与滑块连接，滑块分设于两个导轨上。在X轴位移组件中，滑块与丝杆螺母座构成的平面上安装Y轴位移组件，此时当步进电机开始转动，则带动丝杆转动进而使丝杆螺母座发生位移，同时丝杆螺母座带动滑块在导轨上移动，进而使Y轴位移组件及设于Y轴位移组件上的第一超声波发射模块、第二超声波发射模块实现在X方向的位移。同理，Y轴位移组件中，滑块与丝杆螺母座构成的平面上安装超声波发射模块，此时当步进电机开始转动，则带动丝杆转动进而使丝杆螺母座发生位移，同时丝杆螺母座带动滑块在导轨上移动，进而使设于Y轴位移组件上的第一超声波发射模块、第二超声波发射模块实现在Y方向的位移。当X轴位移组件、Y轴位移组件相互配合，此时第一超声波发射模块、第二超声波发射模块能够实现在X方向、Y方向的自由运动。

在一示例中，X轴传动组件、Y轴传动组件也可通过伸缩组件进行替换，即直接通过驱动装置驱动伸缩轴进行伸缩运动，以此实现位移功能。

在一示例中，超声波发射模块包括若干超声波换能器，超声波换能器设于半球型基座上。具体地，如图1-2所示，第一超声波发射模块、第二超声波发射模块均包括17个超声波换能器，17个超声波换能器间隔分设于半球型基座上，同时开启第一超声波发射模块、第二超声波发射模块中34个超声波换能器，进而发射出多束不同角度超声能量波进而形成驻波，对悬浮物能够形成一定水平方向的稳定力，当超声波发射装置所在滑台跟随位X轴移组件、Y轴移组件在X、Y轴方向缓慢移动时，悬浮物也能稳定跟随移动。

在一示例中，超声波换能器具有超声波相位调节功能，通过改变超声波的相位实现目标悬浮物在Z轴方向的移动，即改变y＝Acos(wx+φ﹚中的φ值，相位变化让物体在Z轴方向移动，配合X轴位移组件、Y轴位移组件能够实现目标悬浮物的三个方向的运动控制，从而实现悬浮星球(目标悬浮物)的任意方向控制，进而操作悬浮星球执行穿过小孔、穿越“隧道”、公转画圆等各类动作，大大提升了动态效果。当然，为保证超声波悬浮的稳定性，场景(如小孔、隧道等)搭建采用的材料均为细网状材料。

在一示例中，超声波换能器经驱动器与控制器连接，控制器为单片机或PLC，也可以是其他控制器，本示例优选为单片机。更为具体地，STM32系列单片机的I/O端口经现有驱动器L298N与超声波换能器控制连接，便于实现超声波换能器的输出声波能量控制，优选地，超声波换能器发射40KHZ超声波。

在一示例中，装置还包括透明展示箱，第一悬浮部件和第二悬浮部件、控制器、步进电机驱动电路、驱动器L298N等均设于展示箱中，优选为玻璃材质的封闭式展示箱，以此实现整个装置与外界条件的隔离，避免了外界条件对目标悬浮物的干扰，也避免了超声波换能器运行时对操作者造成物理伤害。

将上述示例进行组合，得到本实用新型优选示例，此时装置包括透明展示箱，展示箱内设有上下镜面对称设置、结构相同的第一悬浮部件和第二悬浮部件；第一悬浮部件包括第一X轴位移组件、第一Y轴位移组件和第一超声波发射模块；第二悬浮部件包括第二X轴位移组件、第二Y轴位移组件和第二超声波发射模块；第一超声波发射模块、第二超声波发射模块之间悬浮有星球模型，两个超声波发射模块均包括17个超声波换能器，17个超声波换能器间隔分设于半球型基座上；进一步地，装置还包括控制器，如图3所示，控制器经步进电机驱动电路与步进电机连接，具体步进电机驱动采用集成式步进电机驱动器，供电电压DC24V，驱动细分32细分，额定电流4.2A；控制器经驱动器L298N与超声波换能器连接，进而发射出40KHZ的稳定超声波；控制器的I/O端还连接有按键、摇杆，具体控制器与按键、摇杆之间的连接与控制手段为本领域技术人员的公知常识，如公告号为CN2901456Y、名称为“多功能操作控制器”的实用新型专利中记载了单片机与按键、摇杆之间的连接及控制方式；整套硬件装置均采用直流供电，展示箱内置一个DC24V和DC5V双输出开关电源。

使用时，单片机采集摇杆和按键的输入信号，并转换为对悬浮物的控制信号，通过按键输入信号进而控制改变PWM占空比的方式控制超声波的发射；同时，通过RS232通讯的方式实现与步进电机驱动器的通讯，根据摇杆输入信号从而实现对步进电机的控制；操作时，操作者需要同时操作摇杆和上下按键实现对悬浮星球的三维控制，同时眼睛注视悬浮物的空间位置，从而完成穿过小孔、穿越“隧道”、公转画圆等各类动作。可选地，控制器的I/O端连接有蜂鸣器，当运行过程中到达XYZ轴方向的极限位置时，展示箱内的蜂鸣器会鸣叫提示。

以上具体实施方式是对本实用新型的详细说明，不能认定本实用新型的具体实施方式只局限于这些说明，对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替代，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种超声波悬浮装置，其特征在于：其包括结构相同的第一悬浮部件和第二悬浮部件；悬浮部件包括：

X轴位移组件；

Y轴位移组件，设于X轴位移组件上；

超声波发射模块，设于Y轴位移组件上；

第一悬浮部件中的第一超声波发射模块、第二悬浮部件中的第二超声波发射模块之间设有目标悬浮物，且第一超声波发射模块、第二超声波发射模块相对静止。

2.根据权利要求1所述的一种超声波悬浮装置，其特征在于：所述X轴位移组件包括顺次连接的驱动件X和传动组件X；Y轴位移组件包括顺次连接的驱动件Y和传动组件Y。

3.根据权利要求2所述的一种超声波悬浮装置，其特征在于：驱动件为电机或气缸。

4.根据权利要求3所述的一种超声波悬浮装置，其特征在于：所述驱动件连接有控制器。

5.根据权利要求2所述的一种超声波悬浮装置，其特征在于：传动组件包括丝杆、导轨、螺母座、滑块；驱动件与丝杆传动连接，且丝杆置于导轨之间，丝杆与螺母座螺纹连接，螺母座与滑块连接，滑块设于导轨上；

X轴位移组件中，滑块与丝杆螺母座构成的平面上安装Y轴位移组件；Y轴位移组件中，滑块与丝杆螺母座构成的平面上安装超声波发射模块。

6.根据权利要求1所述的一种超声波悬浮装置，其特征在于：超声波发射模块包括若干超声波换能器，超声波换能器设于半球型基座上。

7.根据权利要求6所述的一种超声波悬浮装置，其特征在于：所述超声波换能器具有超声波相位调节功能。

8.根据权利要求6所述的一种超声波悬浮装置，其特征在于：所述超声波换能器经驱动器与控制器连接。

9.根据权利要求6所述的一种超声波悬浮装置，其特征在于：所述超声波换能器发射40KHZ超声波。

10.根据权利要求1所述的一种超声波悬浮装置，其特征在于：所述装置还包括透明展示箱，第一悬浮部件和第二悬浮部件设于展示箱中。