Arduino UNOとHC-SR04超音波センサーで作るミニ音響浮上デモ

必要な部品と材料

部品	数量
Arduino UNO	1
HC-SR04 超音波距離センサー（汎用）	1

使用するアプリとオンラインサービス

• Arduino IDE

プロジェクト概要

音波の干渉を利用した音響浮上（アコースティック・レビテーション）を、超音波距離センサーの送信部を流用して実現するデモです。2つの対向する超音波送信機から出る音波が干渉し、定在波の「節（音圧が低い領域）」に軽い物体（発泡スチロール片など）が捕捉され、空中に浮遊しているように見えます。ノイズキャンセリングヘッドフォンと同じ原理です。

詳細・回路シミュレーションは 作者サイト を参照。

追加で必要な部品（本文中のリンク参照）

• Hブリッジドライバー（モータードライバー等）
• ブレッドボード
• ジャンパーワイヤー
• ダイオード
• コンデンサ 100nF ×2（必要に応じて）
• 9V電池または7.5V LiPo等の直流電源（Hブリッジ駆動用）

Step 1: 超音波送信機の取り出し

1. HC-SR04基板から送信機（Tマーク）と受信機（Rマーク）の両方をハンダ吸い取り線等で取り外し
2. どちらか一方のメッシュスクリーン（金網）を保存（浮上物体の載せ台として使用）
3. 両送信機にリード線をハンダ付け

Step 2: 回路構築

• 2つの送信機をHブリッジ経由でArduinoのアナログポート（A0-A5 / PORTC）に接続
• 100nFコンデンサ2個は、電源不安定時のみ必要（ボードが再起動を繰り返す場合に追加）
• 9V電池は任意のDC電源で代用可（筆者は7.5V LiPoで動作確認）

Step 3: プログラム

Timer1のCTCモードで40kHz矩形波を生成し、PORTC全ビットを交互に反転出力することで、2つの送信機に逆位相信号を供給します。

// Original: https://makezine.com/projects/micro-ultrasonic-levitator/
byte TP = 0b10101010; // 隣接ポートに逆相信号を出力

void setup() {
  DDRC = 0b11111111; // アナログポート全てを出力に設定
  
  // Timer1初期化
  noInterrupts();
  TCCR1A = 0;
  TCCR1B = 0;
  TCNT1 = 0;
  OCR1A = 200; // 16MHz / 200 = 80kHz方形波 → 40kHz全波
  TCCR1B |= (1 << WGM12); // CTCモード
  TCCR1B |= (1 << CS10);  // プリスケーラ1（分周なし）
  TIMSK1 |= (1 << OCIE1A); // 比較マッチ割り込み有効
  interrupts();
}

ISR(TIMER1_COMPA_vect) {
  PORTC = TP; // PORTCにパターン出力
  TP = ~TP;   // 次回用に反転
}

void loop() {
  // メインループでは何もしない
}

Step 4: 送信機設置とキャリブレーション

• ヘルピングハンズ（万力付きスタンド）等で送信機を固定、間隔約3/4インチ（約19mm）から開始
• 保存しておいたメッシュスクリーン上に、米粒半分ほどの発泡スチロール片を置く
• ピンセットでスクリーンごと2送信機の間に挿入（近づけると振動し始める）
• 送信機間隔を微調整（近づけたり離したり）し、発泡スチロールが静止して浮上する位置を見つける

トラブルシューティング

• 配線間違いがないか再確認
• Hブリッジ供給電圧を上げる（電池交換等）
• 発泡スチロールをより小さくする
• 送信機位置を色々試す
• 100nFコンデンサを追加
• それでもダメなら送信機や電源を新品に交換

初回は約15分かかったが、コツを掴めば容易に再現可能。

回路図