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Ultraschall-Schwebegerät mit Arduino bauen – Akustische Levitation Schritt für Schritt

Benötigte Komponenten

Werkzeuge

Software

Funktionsprinzip: Akustische Levitation

Zwei Ultraschallwandler (Sender & Empfänger aus HC-SR04) werden **gegenüberliegend, exakt fluchtend** positioniert. Der Arduino erzeugt ein **40 kHz Rechtecksignal** (Pins A0 & A1, gegenphasig), das über die H-Brücke (L298) mit ~7,4 V an die Wandler gelegt wird. Die sich überlagernden Wellen bilden eine **stehende Welle** mit **Druckknoten (Nodes)** und **Druckbäuchen (Antinodes)**. In den Knoten (minimaler Druck) können leichte Objekte (Styropor, Papier, kleine Tropfen) schweben – scheinbar „Antigravitation“.

Wichtige physikalische Punkte

Schritt-für-Schritt-Anleitung

Schritt 1: Wandler vorbereiten

  1. Sender (T) und Empfänger (R) vom HC-SR04-Modul **entlöten**.
  2. Schutzhauben entfernen.
  3. Lange Anschlussdrähte anlöten.
  4. Gegenüberliegend auf Schaumstoffplatte montieren (Muttern/Schrauben für Feinjustage). **Exakte Fluchtung ist kritisch!**

Schritt 2: Schaltung aufbauen

Schritt 3: Arduino-Code (40 kHz Generator)

Nutzt Timer1 (16-bit) im CTC-Modus für präzise 40 kHz Toggle an zwei Pins (A0, A1) mit 180° Phasenverschiebung.


// Beispiel-Konzept (Original-Code auf Gist)
#define FREQ 40000UL
#define PRESCALER 8
#define TOP (F_CPU / (PRESCALER * 2 * FREQ)) // = 250 für 16 MHz / 8 / 2 / 40k

void setup() {
  pinMode(A0, OUTPUT); pinMode(A1, OUTPUT);
  // Timer1 CTC, Toggle OC1A (Pin 9) & OC1B (Pin 10) -> aber A0/A1 sind ADC-Pins!
  // Original nutzt Software-Toggle im Timer-Interrupt oder Port-Manipulation auf A0/A1.
  // Siehe Gist für funktionierenden Code.
}

Wichtig: Der Original-Code nutzt Timer-Interrupt + direkte Port-Manipulation auf A0/A1 (Port C), da diese keine Hardware-PWM-Pins sind. Download: Gist-Link.

Schritt 4: Inbetriebnahme & Feinjustage

  1. Strom an (7,4 V an L298, Arduino an).
  2. Kleines Styropor-Kügelchen oder Papierfitzelchen mit Pinzette **exakt in die Mitte** zwischen die Wandler setzen.
  3. Feinjustage: Wandler leicht drehen/verschieben, bis Objekt stabil schwebt.
  4. Nur **sehr leichte Objekte** (Styropor, Papier, evtl. Wassertropfen) funktionieren.

Wichtige Hinweise & Verbesserungen

Schaltplan

Zeigt Arduino A0/A1 → L298 Eingänge, L298 Ausgänge → 2 Wandler, gemeinsame GND, 7,4 V Versorging.

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