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

Benötigte Komponenten

• Arduino UNO / Nano (ATmega328P)
• HC-SR04 Ultraschallmodul (nur die beiden Wandler – Sender & Empfänger – werden entlötet und weiterverwendet)
• L298 Dual H-Brücke Treibermodul (oder L293D) – treibt die Wandler mit hoher Spannung/Strom an
• 7,4 V Akku / Netzteil (mind. 2 A, für Treiber & Wandler)
• Lochrasterplatine, Kabel, Lötzubehör
• Schaumstoffplatte, Muttern/Schrauben (für präzise Ausrichtung der Wandler)

Werkzeuge

• Lötkolben, bleifreies Lötzinn
• Jumper-Kabel (kurz, 5 cm)

Software

• Arduino IDE

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

• Schall = Druckwelle in Medium (Luft). Kompression & Rarefaktion.
• Reflexion an Gegenwand → Interferenz → Stehende Welle (fester Knoten/Antinode-Muster).
• Knoten = minimaler Druck → Objekt wird dort „gefangen“.
• Ausrichtung **parallel zur Schwerkraft** → aufwärts gerichteter Druck in Knoten kompensiert Gewicht.

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

• Arduino A0 → L298 IN1, A1 → IN2 (gegenphasig).
• L298 OUT1/OUT2 → Wandler 1 (Sender).
• L298 OUT3/OUT4 → Wandler 2 (Empfänger, als 2. Sender genutzt).
• L298 VCC → 7,4 V Akku, GND → gemeinsamer GND mit Arduino.
• Arduino über USB oder separat versorgen.

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

• **Mindestens 2 A Stromversorgung** nötig (L298 + Wandler ziehen Strom).
• Mehr Wandler → mehr Kraft, aber **Anordnung muss gekrümmt/konkav sein** (Phasenanpassung), nicht flach nebeneinander.
• Höhere Spannung allein hilft nicht – Phasenkopplung ist entscheidend.
• Schutzbrille tragen (Ultraschall kann Hörschädigung bei Nahfeld verursachen).

Schaltplan

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