Получить ультразвуковые волны довольно просто. Нужно лишь заставить вибрировать частички вещества с соответствующей частотой. Вибрацию можно осуществить следующими методами, которые и легли в основу создания ультразвуковых генераторов:
1. Механический (акустические колебания возникают при механическом ударе по твердому телу или при его трении)
2. Пьезоэлектрический (акустические колебания возникают при воздействии на пьезоэлектрик переменного электрического поля)
3. Магнитострикционный (акустические колебания возникают при воздействии на ферромагнетик переменного магнитного поля)
4. Электростатический (акустические колебания возникают при воздействии на диэлектрик переменного электрического поля)
5. Электродинамический (акустические колебания возникают при воздействии на электропроводную среду переменного магнитного поля)
МЕХАНИЧЕСКИЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ УЛЬТРАЗВУКА
Исторически самыми первыми были механические излучатели ультразвука. Простая стальная струна от рояля может стать источником ультразвука. Как известно, натянутая стальная струна длиной 50 см. при ударе молоточком возбуждает в воздухе звуковые волны частотой 5 кГц. Поскольку генерируемая частота обратно пропорциональна длине струны, укорачивая длину струны, можно увеличить частоту звука. Например, струна длиной 10 см. может дать ультразвук частотой 25 кГц.
При ударе молоточком по натянутой струне в окружающем пространстве возникают акустические волны
Используемые музыкантами камертоны также способны генерировать ультразвук, если уменьшить все размеры этого устройства (предельная частота достигаемого ультразвука ~100 кГц).
Музыкальный камертон
Однако такие простые источники ультразвука не могут дать большую акустическую интенсивность.
Более мощный ультразвук можно получить в стальном или стеклянном стержне, возбуждая в нем продольные акустические колебания посредством трения. Стержень закрепляется посередине, и один из его концов непрерывно натирается каким-либо мягким материалом типа шелковой ткани. При этом на другом конце стержня возникают акустические колебания. Среди множества генерируемых колебаний наибольшую интенсивность будут иметь те колебания, частота которых совпадает с собственной частотой упругих колебаний стержня. Независимо от материала стержня, чем меньше его длина, тем выше частота акустических колебаний.
1- Стальной стержень
2- Точка крепления стержня
3- Стальные валики, покрытые шелковой тканью
Мощным источником ультразвука (единицы и сотни ватт) является свисток Гальтона, работающий на частотах до 50 кГц. Принцип работы акустического свистка основан на возникновении акустических колебаний в турбулентном газовом потоке. Если в таком газовом потоке установить акустический резонатор, в нем будут усиливаться колебания, определяемые геометрией резонатора и параметрами газовой струи. Один из вариантов конструкции свистка Гальтона показан на рисунке ниже.
Газовый поток через трубку 1 подводится к кольцеобразной щели 2, через которую он попадает на острое цилиндрическое лезвие 3. При этом вокруг лезвия возникают периодические завихрения (турбулентность), возбуждающие в полом объеме 4 (резонатор) акустические колебания. Резонатор настраивается подвижным поршнем 5, который приводится в движение микрометрическим винтом 6. Второй микрометрический винт 7 регулирует величину зазора между щелью 2 и лезвием 3, определяя частоту излучаемого ультразвука (чем выше скорость газового потока и меньше ширина щели, тем выше частота акустических колебаний). Независимая настройка резонатора и величины воздушного зазора на нужную частоту-занятие крайне утомительное. Однако при стабильном газовом потоке и четкой регулировке свисток Гальтона выдает ультразвук эталонного качества.
Разновидностью свистка Гальтона является жидкостный свисток. Принцип его работы такой же, как и газового свистка, с той разницей, что вместо газовой струи используется поток жидкости. Однако частота и мощность ультразвука в жидкостном свистке (предельная частота ультразвука ~ 40 кГц) ниже, чем в газовом. Это объясняется уменьшением резонансных свойств полого объема, помещенного в жидкость (коэффициент отражения акустической волны на границе жидкость/твердое тело намного меньше, чем на границе газ/твердое тело). Повысить мощность ультразвука, генерируемого жидкостным свистком, можно применением в качестве резонатора твердотельной пластинки. Если на пути струи жидкости поместить клиновидную пластину, в ней возникнут акустические колебания, частота которых определяется скоростью струи жидкости и расстоянием между соплом и клином пластины. Чем выше скорость потока жидкости и меньше расстояние между соплом и пластиной, тем выше частота акустических колебаний. При совпадении частоты акустических колебаний с собственной частотой колебаний пластинки возникает акустический резонанс, и амплитуда колебаний пластинки резко возрастает. Для ослабления влияния элементов держателя пластинки на амплитуду колебаний пластинка крепится в точках, в которых имеются узлы колебаний. Собственная частота колебаний клиновидной пластины определяется параметрами материала, из которого она изготовлена, но при прочих равных условиях, чем толще и короче пластина, тем выше собственная частота колебаний. На рисунке ниже стрелкой показано направление потока жидкости через сопло.
Другим механическим источником ультразвука является газоструйный акустический излучатель Гартмана.
Предельная частота ультразвука при использовании воздушной струи достигает 120 кГц. Принцип работы этого устройства основан на возникновении акустических колебаний в газовой струе, имеющей сверхзвуковую скорость истечения.
Если перед соплом 1 поместить резонатор 2, в нем будут усиливаться акустические колебания, частота которых определяется глубиной и диаметром полости резонатора.
К механическому источнику ультразвука относится и сирена. Сирена в простейшем случае представляет собой два диска, имеющих несколько отверстий, через которые продувается воздух (бывают и жидкостные сирены, в которых вместо воздуха используется поток жидкости). Один диск является неподвижным (статор), а другой (ротор) вращается параллельно статорному диску. Если оба диска имеют одинаковые отверстия, то за счет периодического прерывания потока воздуха возникают акустические колебания определенной частоты, зависящей от числа отверстий в дисках и частоты вращения ротора. Чем больше отверстий в дисках и выше число оборотов ротора, тем выше частота излучаемого ультразвука.
Предельная частота ультразвука сирены достигает 50 кГц, хотя в оригинальных конструкциях частота ультразвука составляет несколько сотен килогерц. Сирена способна выдавать акустическую мощность в несколько киловатт. Ультразвуковое поле сирены может быть настолько большим, что помещенный в него клочок ваты практически мгновенно вспыхивает и сгорает.
Практическое использование описанных выше механических излучателей ультразвука сильно ограничивается тем обстоятельством, что ультразвук генерируется в газовой струе, тогда как часто требуется введение ультразвука в жидкость или твердое тело.
ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ УЛЬТРАЗВУКА
Принцип работы электростатического акустического генератора основан на взаимодействии электрически заряженных частиц. Как известно, однополярные заряды отталкиваются друг от друга, а разнополярные притягиваются. Если зарядить две параллельные металлические пластины разными зарядами, то пластины будут взаимно притягиваться. Если же подать на пластины переменное напряжение, пластины начнут совершать механические колебания, частота которых будет определяться частотой переменного напряжения. Как правило, в электростатическом излучателе одна пластина неподвижна, а другая представляет собой тонкую (десятки микрон) металлизированную пленку, которая и совершает колебания, возбуждая продольную акустическую волну.
Электростатический излучатель способен генерировать ультразвук довольно большой частоты, исчисляемой десятками мегагерц, однако интенсивность получаемого ультразвука относительно мала.
ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ УЛЬТРАЗВУКА
На любой проводник с током, находящийся в магнитном поле, действует сила Лоренца. Это явление используется в электродинамическом акустическом генераторе. На рисунке показан простой электродинамик, способный излучать ультразвук.
Если в проводе катушки протекает переменный ток, его магнитное поле наводит вихревые токи в электропроводящем стержне, заставляя его совершать механические колебания. Стержень соединен с мембраной, которая и создает в окружающей среде продольную акустическую волну, частота которой зависит от частоты переменного тока в катушке. Электродинамики применяют для генерации низкочастотного ультразвука, частота которого не превышает 100 кГц. Электродинамический принцип получения ультразвука используют, главным образом, в микроэлектронике при создании так называемых электромагнитных акустических преобразователей. Работа таких преобразователей основана на возникновении акустических колебаний в твердом теле, на которое действует внешнее магнитное поле. При прохождении через твердое тело электрического тока на него действует сила Лоренца со стороны внешнего магнитного поля, и при переменном токе в твердом теле возникают акустические колебания, частота которых зависит от частоты переменного тока. В миниатюрных преобразователях в качестве твердого тела применяют металлизированный диэлектрик (стекло или керамика).
МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ УЛЬТРАЗВУКА
Эффект магнитострикции уже давно используется для генерации ультразвуковых колебаний. В чем суть? Если поместить ферромагнитный стержень в переменное магнитное поле, геометрические размеры стержня будут изменяться, т.е. в окружающей стержень среде возникнут акустические волны.
При совпадении частоты переменного магнитного поля с собственной частотой упругих колебаний стержня возникнет акустический резонанс, и амплитуда колебаний стержня будет максимальной.
Амплитуда колебаний стержня-вибратора зависит не только от физических свойств конкретного ферромагнетика, но и от упругости твердого тела, из которого изготовлен стержень. Вобщем-то, амплитуда акустических колебаний незначительна и исчисляется микронами, но и этого достаточно для создания высокоэффективных ультразвуковых технологических установок.
В качестве материала для магнитострикционного преобразователя (вибратора) среди металлов-ферромагнетиков никель обладает самыми лучшими магнитострикционными свойствами, однако были найдены и другие материалы на основе интерметаллических соединений:
Альфер -сплав Fe и Al (13%)
Пермаллой -сплав Fe и Ni (40%)
Альсифер -сплав Fe и Al (4%), Si (2%)
Пермендюр -сплав Fe и Co (49%), V (2%)
Инвар -сплав Fe (64%) и Ni (36%)
Цекас -сплав Fe (26,9%), Ni (59,9%), Cr (11,2%), Mn (2%)
Альтернативой перечисленным выше материалам является ферритовая керамика, химический состав которой определяется общей формулой MO-Fe2O3, где М может быть таким металлом как Ni, Co, Fe, Mn, Mg, Cu. Преимущество ферритового вибратора в том, что у него потери на вихревые токи значительно ниже, чем у металлического вибратора, что позволяет использовать монолитные вибраторы на высоких частотах ультразвука. Если металлический вибратор при продолжительной работе требует водяного охлаждения, то ферритовый вибратор способен генерировать ультразвук при температуре до 500 °. Однако феррит не выдерживает мощных ультразвуковых вибраций и его применение ограничено.
На рисунке ниже показана конструкция самодельного магнитострикционного вибратора на основе ферритового стержня.
Вибратор металлического магнитострикционного излучателя представляет собой стянутый в единый пакет набор из пластин (толщина пластины не более 0,3 мм). Для возбуждения ультразвуковых колебаний вокруг пластин вибратора наматывается несколько витков провода, через который пропускается переменный ток ультразвуковой частоты.
Магнитострикционный преобразователь, набранный из отдельных пластин (справа на рисунке форма отдельной пластины).
Для получения максимальной амплитуды акустических колебаний длина пластины соответствует резонансной частоте. Если требуется облучать ультразвуком большие поверхности, используют более сложные профили пластин. На рисунке ниже показан магнитострикционный преобразователь для ванн ультразвуковой очистки.
В некоторых ультразвуковых приборах требуется направленное ультразвуковое излучение. В этом случае применяют преобразователь, набранный из пластин круглого профиля.
Магнитострикционный преобразователь, в котором используются ультразвуковые колебания внешнего кольца пакета пластин.
Магнитострикционный преобразователь, в котором используются ультразвуковые колебания внутреннего кольца пакета пластин.
Как правило, в магнитострикционном излучателе используется подмагничивание вибратора, что позволяет добиться большей амплитуды колебаний вибратора. При этом частота колебаний вибратора совпадает с частотой переменного магнитного поля (без подмагничивания частота вибратора вдвое больше частоты магнитного поля, но амплитуда вибраций будет незначительной). В ферритовых излучателях для подмагничивания обычно применяют постоянные магниты, а в металлических излучателях используют подмагничивание постоянным током, проходящим через обмотку возбуждения вибратора или дополнительную обмотку подмагничивания. Принципиального значения источник подмагничивания не имеет. В любом случае, для конкретного вибратора существует оптимальная величина магнитного поля, при которой достигается максимальная амплитуда ультразвуковых колебаний.
На рисунке ниже показана схема подключения магнитострикционного преобразователя (вибратора) с подмагничиванием электрическим током.
В этой схеме разделительный конденсатор С препятствует закорачиванию блока питания через выходные цепи ультразвукового генератора, а дроссель препятствует проникновению высокочастотных колебаний в блок питания.
Применение в магнитострикционных преобразователях вибратора, набранного из отдельных металлических пластин, обусловлено необходимостью уменьшения нагрева металла в электромагнитном поле катушки возбуждения. При использовании монолитного вибратора возрастают потери энергии на вихревые токи, что приводит к нагреву ферромагнетика вибратора особенно на высоких частотах ультразвука. Как известно, при нагревании ферромагнетик теряет свои магнитострикционные свойства и при определенной температуре (точка Кюри) превращается в парамагнетик, что приводит к полному прекращению ультразвуковых колебаний вибратора.
Предельная частота ультразвуковых колебаний магнитострикционного излучателя определяется его геометрическими размерами (чем меньше длина вибратора, тем выше частота ультразвука) и не превышает 200 кГц. Однако при некоторой потери мощности можно получить ультразвук гораздо большей частоты, возбуждая вибратор на частотах, кратных гармоникам собственной частоты упругих колебаний вибратора. Так, например, применяя в качестве вибратора тонкую ферритовую пластинку, можно получить ультразвук частотой порядка 10 МГц.
Принцип работы пьезоэлектрического излучателя ультразвука основан на использовании обратного пьезоэффекта, т.е. возникновении механических деформаций в некоторых кристаллах при воздействии на определенные грани кристалла внешнего электрического поля. Пьезоэлектрический эффект позволяет генерировать самый широкий спектр ультразвуковых частот. Только пьезоэлектрические излучатели способны создавать высокочастотные акустические колебания с частотой порядка 100 МГц.
Главным элементом пьезоизлучателя является твердотельная пластина (иногда полимерная пленка), изготовленная из пьезоэлектрического материала (кварц, турмалин, кристалл сегнетовой соли, титанат бария, цирконат-титанат свинца). Пластина помещается между двумя электродами, на которые подается переменное электрическое напряжение ультразвуковой частоты. Если пластина изготовлена из кристаллического пьезоэлектрика, то направление ультразвукового излучения будет зависеть от того, как ориентированно внешнее электрическое поле относительно кристаллографических осей пластины. Возможны как продольные, так и поперечные колебания пластины.
В результате пьезоэффекта в окружающей пластину среде возбуждаются акустические колебания, частота которых определяется частотой источника переменного напряжения. Амплитуда таких колебаний пропорциональна величине приложенного к электродам напряжения и ограничена диэлектрической прочностью материала пластины. Кроме того, акустические колебания будут максимальными, если частота переменного напряжения совпадает с собственной частотой упругих колебаний пластины.
В настоящее время все технологические, медицинские и бытовые ультразвуковые установки с пьезокерамическим преобразователем используют не дорогие пьезокристаллы, а дешевую пьезокерамику на основе титаната бария или цирконат-титаната свинца. В зависимости от направления поляризации пьезокерамического вибратора в нем могут возникать как продольные, так и поперечные колебания. В таблице ниже показаны самые распространенные виды пьезокерамических излучателей.
Пьезокерамические вибраторы могут иметь различную форму и размеры
На рисунке ниже представлена одна из возможных конструкций пьезокерамического преобразователя.
Акустические свойства и площадь поперечного сечения металлических частей преобразователя должны соответствовать таковым для пьезокерамики. Обе металлические части могут быть изготовлены из одинакового или комбинированного материала. Обычно используют сталь, алюминий, титан, магний, бронзу, латунь и медь. Часто только одна из металлических частей используется для выхода максимальной мощности, и преобразователь изготавливается как полуволновой вибратор с резонансной частотой от 20 кГц до 40 кГц. Для увеличения предела прочности пьезокерамического элемента, а также улучшения акустического контакта металлические части преобразователя стягиваются болтом, создавая предварительное механическое напряжение на пьезокерамике.
УЗ излучатель - это генератор мощных ультразвуковых волн. Как мы знаем, ультразвуковую частоту человек не слышит, но организм чувствует. Иными словами ультразвуковая частота воспринимается человеческим ухом, но определенный участок мозга, отвечающий за слух, не может расшифровать данные звуковые волны. Те, кто занимаются построением аудио систем должны знать, что высокая частота очень неприятна для нашего слуха, но если поднять частоту на еще высокий уровень (УЗ диапазон) то звук исчезнет, но на самом деле он есть. Мозг попытается безуспешно раскодировать звук, в следствии этого возникнет головная боль, тошнота, рвота, головокружение и т.п.Ультразвуковая частота давно применяется в самых разных областях науки и техники. При помощи ультразвука можно сваривать металл, провести стирку и многое другое. Ультразвук активно применяется для отпугивания грызунов в сельскохозяйственной технике, поскольку организм многих животных приспособлен к общению с себе подобными на УЗ диапазоне. Есть данные и про отпугивание насекомых с помощью УЗИ генераторов, многие фирмы выпускают такие электронные репелленты. А мы предлагаем вам самостоятельно собрать такой прибор, по приведённой схеме:
Рассмотрим конструкцию достаточно простой УЗ пушки высокой мощности. Микросхема D4049 работает в качестве генератора сигналов ультразвуковой частоты, она имеет 6 логических инверторов.
Микросхему можно заменить на отечественный аналог К561ЛН2. Регулятор 22к нужен для подстройки частоты, ее можно снижать до слышимого диапазона, если резистор 100к заменить на 22к, а конденсатор 1,5нФ заменить на 2,2-3,3нФ. Сигналы с микросхемы подаются на выходной каскад, который построен всего на 4-х биполярных транзисторах средней мощности. Выбор транзисторов не критичен, главное подобрать максимально близкие по параметрам комплементарные пары.
В качестве излучателя можно использовать буквально любые ВЧ головки с мощностью от 5 ватт. Из отечественного интерьера можно использовать головки типа 5ГДВ-6, 10ГДВ-4, 10ГДВ-6. Такие ВЧ головки можно найти в акустических системах производства СССР.
Осталось только оформить все в корпус. Для направленности УЗ сигнала нужно использовать металлический рефлектор.
Излучатели (ультразвуковые) активно применяются в эхолотах. Дополнительно устройства используются в приемниках. Современные модификации выделяются высокой частотностью и имеют хорошую проводимость. Чувствительность излучателя зависит от многих факторов. Также стоит отметить, что у моделей применяются клеммы, которые влияют на общий уровень сопротивления.
Схема устройства
Стандартная схема устройства содержит две клеммы и один конденсатор. Стержень используется диаметром от 1,2 см. Магнит для работы системы потребуется неодимового типа. В нижней части любого излучателя располагается подставка. Конденсаторы могут крепиться через расширитель либо клеммы. Обмотка селеноида применяется с проводимостью от 4 мк.
Кольцевая модификация
Кольцевые погружные ультразвуковые излучатели, как правило, производятся для эхолотов. Большинство моделей обладают дипольными конденсаторами. Подкладки под них подбираются из резины. Общий уровень сопротивления в устройствах данного типа равняется 50 Ом. Клеммы используются с переходником и без него. В верхней части селеноида располагается защитное кольцо. Стержень используется диаметром не менее 2,2 см. В некоторых случаях конденсаторы применяются канального типа с системой защиты. Проводимость при разряде у них составляет не менее 5 мк. При этом частотность может сильно меняться. В данном случае многое зависит от чувствительности элемента.
Устройство с яром
Ультразвуковой излучатель для увлажнителя с яром считается очень распространенным. Если рассматривать то у нее имеются три конденсатора. Как правило, они используются трехканального типа. Общий уровень сопротивления у излучателей данного типа составляет 55 Ом. Они часто ставятся на эхолоты и низкочастотные приемники. Также модели подходят для преобразователей. Магниты используются диаметром от 4,5 см. Подставки делаются из латуни либо стали. Проводимость при разряде составляет не более 5,2 Мк.
Некоторые модификации используются с верхним расположением яра. Как правило, он находится над подставкой. Также надо отметить, что есть излучатели с однополюсными переходниками. Соленоиды для них подходят только с высокой проводимостью. В верхней части устройства используется несколько колец. Чувствительность при разряде составляет примерно 10 мВ. Если рассматривать модификации на резисторных конденсаторах, то у них общий уровень сопротивления максимум доходит до 55 Ом.
Модель с двойной обмоткой
Излучатели (ультразвуковые) с двойной обмоткой в последнее время производятся с усилителем. Такие устройства активно применяются на преобразователях. Некоторые излучатели делаются с двойными конденсаторами. Обмотки используются с широкой лентой. Стержни подходят диаметром от 1,3 см. Клеммы должны обладать проводимостью не менее 5 мк. Частотность устройств зависит от многих факторов. В первую очередь учитывается диаметр стрежня. Также надо отметить, что расширители используются с подкладками и без них.
Излучатели на базе отражателя своими руками
Из отражателей можно сделать ультразвуковой излучатель своими руками. В первую очередь заготавливается неодимовый магнит. Подставка применяется шириной около 4,5 см. Обводку разрешается устанавливать только после стрежня. Также надо отметить, что магнит фиксируется на подкладке и замыкается кольцом.
Клеммы для устройства подбираются проводникового типа. Проводимость при разряде должна составлять около 6 мк. Общий уровень сопротивления у излучателей данного типа равняется не более 55 Ом. Конденсаторы используются разного типа. Непосредственно отражатели подбираются небольшой толщины. Для установки элементов придется воспользоваться Верхняя часть стрежня закручивается на пленке. В данном случае важно не перекрывать клеммы.
Устройства для эхолотов
Излучатели (ультразвуковые) для эхолотов обладают неплохой проводимостью. Диаметр стержня у стандартной модели равняется 2,4 см. Кольца, как правило, используются обтягивающего типа. Современные модели делаются с конусными подставками. У них малый вес и они могут работать в условиях повышенной влажности. Соленоиды применяются разного диаметра. В нижней части устройств обязательно накручивается изолента. При необходимости излучатель для эхолота можно сделать самостоятельно. Конденсаторы с этой целью применяются двухканального типа. Если рассматривать устройство со стержнем на 2,2 см, то общий уровень сопротивления у него составит 45 Ом.
Модификации для рыболокаторов
Излучатели (ультразвуковые) для рыболокаторов производятся с клеммами разной проводимости. Наиболее востребованными считаются модификации с переходниками и чувствительностью на уровне 12 мВ. Некоторые устройства оснащаются компактными одноканальными конденсаторами. Проводимость при загрузке у них составляет 2 мк. Магниты на излучатели устанавливаются разного диаметра.
Большинство моделей делаются с низкими подставками. Также надо отметить, что устройства выделяются высокой частотностью. Клеммы обладают неплохой проводимостью, но в данном случае многое зависит от толщины стрежня. В верхней части обмотки устанавливаются защитные кольца. Для увеличения проводимости излучателя применяются клеммы с чувствительностью от 15 мВ.
Модели низкого волнового сопротивления
Ультразвуковой излучатель для увлажнителя воздуха низкого выделяется компактными размерами. Обмотки используются толщиной от 0,2 см. Магниты устанавливаются на подставках либо подкладках. Клеммы фиксируются в верхней части устройства. Стандартная модификация включает в себя три конденсатора.
Показатель общего сопротивления составляет не более 30 Ом. Конденсаторы у некоторых моделей применяются двуканального типа. При этом проводимость составляет примерно 2 мк. Также есть модификации со стержнями большого диаметра. Они используются в эхолотах. Большинство излучателей производится специально для преобразователей. Кольца для зажима используются из резины либо пластика. В среднем диаметр стержня у модификации равняется 2,2 см.
Устройства высокого волнового сопротивления
Модификации данного типа делаются, как правило, для приемников. Общий уровень проводимости у них равняется 4 мк. Большинство устройств работает от контактных клемм. Также надо отметить, что существуют устройства с чувствительностью от 15 мВ. Конденсаторы на модификации подбирают трехканального типа. Также есть резисторные модели. У них общий уровень сопротивления стартует от 55 Ом. Магниты на мощный ультразвуковой излучатель устанавливаются только неодимового типа. В среднем диаметр детали составляет 4,5 см. Подставки могут производиться с накладками или защитными изолирующими пленками.
Модели с однопереходными конденсаторами
Устройства этого типа способны обеспечивать проводимость на уровне 5 мк. У них довольно высокая чувствительность. Стержни на ультразвуковой излучатель устанавливаются диаметром от 2 см. Обмотки используются только с кольцами из резины. В нижней части устройств применяются дипольные клеммы. Общий уровень сопротивления при загруженности составляет 5 Ом. Конденсаторы разрешается устанавливать на излучатели через расширители. Для продления низких частот используются переходники.
При необходимости можно сделать модификацию на два конденсатора. Для этого клеммы устанавливаются с проводимостью от 2,2 мк. Стержень подбирается небольшого диаметра. Также надо отметить, что потребуется короткая подставка из сплава алюминия. В качестве изоляции для клемм применяется изолента. В верхней части излучателя крепится два кольца. Непосредственно конденсаторы монтируются через дипольный расширитель. Общий уровень сопротивления не должен превышать 35 Ом. Чувствительность зависит от проводимости клемм.
Ультразвуковой шокер-излучатель
Исполнительное устройство активной сигнализации
Данное устройство предназначено только для демонстрационных испытаний в лабораторных условиях. Предприятие не несет ответственности за любое использование данного устройства.
Ограниченный сдерживающий эффект достигается воздействием мощного ультразвукового излучения. При сильных интенсивностях, ультразвуковые колебания производят чрезвычайно неприятный, раздражающий и болезненный эффект на большинство людей, вызывая сильные головные боли, дезориентацию, внутричерепные боли, паранойю, тошноту, расстройство желудка, ощущение полного дискомфорта.
Генератор ультразвуковой частоты выполнен на D2. Мультивибратор D1 формирует сигнал треугольной формы, управляющий качанием частоты D2. Частота модуляции 6-9 Гц лежит в области резонансов внутренних органов.
D1, D2 - КР1006ВИ1; VD1, VD2 - КД209; VT1 - KT3107; VT2 - KT827; VT3 - KT805; R12 - 10 Ом;
T1 выполнен на ферритовом кольце М1500НМЗ 28х16х9, обмотки n1, n2 содержат по 50 витков D 0.5.
Отключить излучатель; отсоединить резистор R10 от конденсатора C1; подстроечным резистором R9 выставить на выв. 3 D2 частоту 17-20 кГц. Резистором R8 установить требуемую частоту модуляции (выв. 3 D1). Частоту модуляции можно уменьшить до 1 Гц, увеличив емкость конденсатора С4 до 10 мкФ; Подсоединить R10 к С1; Подключить излучатель. Транзистор VT2 (VT3) устанавливают на мощный радиатор.
В качестве излучателя лучше всего применить специализированную пьезокерамическую головку ВА импортного или отечественного производства, обеспечивающую при номинальном напряжении питания 12 В уровень звуковой интенсивности 110 дБ: Можно использовать несколько мощных высокочастотных динамических головок (динамиков) ВА1...BAN, соединенных параллельно. Для выбора головки, исходя из требуемой интенсивности ультразвука и расстояния действия, предлагается следующая методика.
Средняя подводимая к динамику электрическая мощность Рср = Е2 / 2R, Вт, не должна превышать максимальной (паспортной) мощности головки Рmaх, Вт; Е - амплитуда сигнала на головке (меандр), В; R - электрическое сопротивление головки, Ом. При этом эффективно подводимая электрическая мощность на излучение первой гармоники Р1 = 0.4 Рср, Вт; звуковое давление Рзв1 = SдP11/2/d, Па; d - расстояние от центра головки, м; Sд = S0 . 10(LSд/20) Па Вт-1/2; LSд - уровень характеристической чувствительности головки (паспортное значение), дБ; S0 = 2 . 10-5 Па Вт-1/2. В результате, интенсивность звука I = Npзв12 / 2sv, Вт/м2; N - число параллельно соединенных головок, s = 1.293 кг/м3 - плотность воздуха; v = 331 м/с - скорость звука в воздухе. Уровень интенсивности звука L1 = 10 lg (I/I0), дБ, I0 = 10-12 I m/м2.
Уровень болевого порога считается равным 120 дБ, разрыв барабанной перепонки наступает при уровне интенсивности 150 дБ, разрушение уха при 160 дБ {180 дБ прожигает бумагу). Аналогичные зарубежные изделия излучают ультразвук с уровнем 105-130 дБ на расстоянии 1 м.
При использовании динамических головок дли получения требуемого уровня интенсивности может потребоваться увеличить напряжение питания. При соответствующем радиаторе (игольчатый с габаритной площадью 2 дм2) транзистор KT827 (металлический корпус) допускает параллельное включение восьми динамических головок с сопротивлением катушки 8 0м каждая. 3ГДВ-1; 6ГДВ-4; 10ГИ-1-8.
Разные люди переносят ультразвук по разному. Наиболее чувствительны к ультразвуку люди молодого возраста. Дело вкуса, если вместо ультразвука вы предпочтете мощное звуковое излучение. Для этого необходимо увеличить емкость С2 в десять раз. При желании можно отключить модуляцию частоты, отсоединив R10 от С1.
С ростом частоты эффективность излучения некоторых типов современных пьезоизлучателей резко увеличивается. При непрерывной работе более 10 минут, возможен перегрев и разрушение пьезокристалла. Поэтому рекомендуется выбирать напряжение питания ниже номинального. Необходимый уровень звуковой интенсивности достигается включением нескольких излучателей.
Ультразвуковые излучатели обладают узкой диаграммой направленности. При использовании исполнительного устройства для охраны помещений большого объема излучатель нацеливают в направление предполагаемого вторжения.
Взято с http://patlah.ru/etm/etm-11/e-shokeri/e-shokeri/e-shok-09.html
"Энциклопедия Технологий и Методик" Патлах В.В. 1993-2007 гг.
Ультразвук - это не слышимые человеком упругие акустические волны, частота которых превышает 20 кГц. Принято различать низкочастотные (20…100 кГц), среднечастотные (0.1… 10 МГц) и высокочастотные (более 10 МГц) ультразвуковые колебания. Несмотря на кил мегагерцы, ультразвуковые волны не следует путать с радиоволнами и радиочастотами. Это абсолютно разные вещи!
По своей физической природе ультразвук ничем не отличается от обычного слышимого звука. Частотная граница между звуковыми и ультразвуковыми волнами условна, она определяется субъективными свойствами человеческого слуха. Для справки, колебания высокой частоты хорошо чувствуют животные (в том числе и домашние), а для летучих мышей и дельфинов они являются жизненно важными.
Ультразвук, благодаря малой длине волны, хорошо распространяется в жидкостях и твёрдых телах. Например, ультразвуковые волны в воде затухают примерно в 1000 раз меньше, чем в воздухе. Отсюда следуют основные сферы их применения: гидролокация, неразрушающий контроль изделий, «звуковидение», молекулярная и квантовая акустика.
Для генерации ультразвуковых колебаний используют следующие виды излучателей (англ. «ultrasonic transducer»):
Пьезокерамические (piezo);
Электростатические (electrostatic);
Электромагнитные (electromagnetic).
Для последнего варианта годятся даже обычные высокочастотные звуковые громкоговорители (на сленге «пищалки»), которые имеют достаточный КПД для генерации сигналов в ближнем ультразвуковом диапазоне 20…40 кГц.
Пьезокерамические ультразвуковые излучатели (Табл. 2.10) выпускаются, как правило, в паре с согласованными по частоте пьезо приёмниками. Типовые параметры «ультразвукового тандема»: частота резонанса 37…45 кГц, уровень звукового давления на расстоянии 30 см - 95…105 дБ(А), рабочее напряжение 12…60 В, ёмкость 1000…3000 пФ, выходной импеданс передатчика 200…500 Ом, входной импеданс приёмника 10…30 кОм.
Таблица 2.10. Параметры ультразвуковых излучателей
На обкладки ультразвуковых пьезоизлучателей рекомендуется подавать не однополярные, а разнополярные импульсы, т.е. в паузах формировать напряжение обратной полярности. Это способствует ускоренному разряду эквивалентной ёмкости излучателя и повышению быстродействия.
На Рис. 2.53, а…л приведены схемы подключения ультразвуковых излучателей к MK. Для формирования разнополярных импульсов широко используются транзисторные мосты и разделительные трансформаторы. Если снизить частоту генерации, то приведенные схемы подойдут «один к одному» и для слышимого диапазона, т.е. для рассмотренных ранее звуковых пьезокерамических излучателей.
Рис. 2.53. Схемы подключения ультразвуковых излучателей к MK (начало):
а) сглаживание формы сигнала, подаваемого на ультразвуковой излучатель BQ1, с помощью катушки индуктивности L1. Резистором R1 регулируется амплитуда;
б) транзисторы VT1, VT2 попеременно открываются короткими импульсами от MK. Для надёжности следует выбирать транзисторы с большим допустимым коллекторным током, чтобы они не вышли из строя при низком омическом сопротивлении катушки индуктивности L1\
в) конденсатор C1 дифференцирует сигнал и устраняет постоянную составляющую, что позволяет подключить ультразвуковой пьезоизлучатель BQ1 к двухполярному источнику питания;
г) маломощный ультразвуковой приёмопередатчик. Делитель R1, R2 определяет рабочую точку АЦП MK при приёме сигнала и амплитуду выходных импульсов при передаче сигнала;
д) приёмопередатчик ультразвукового дальномера. Частота импульсов 36…465 кГц, напряжение на излучателе BQ1 50…100 В (максимум подбирается конденсатором C3). Диоды VD1, VD2 ограничивают сигнал для приёмника. Трансформатор 77 содержит в обмотках I, II по 15 витков провода ПЭВ-0.3, в обмотке III - 100…200 витков ПЭВ-0.08 (кольцо M2000HM K10x6x5); О
О Рис. 2.53. Схемы подключения ультразвуковых излучателей к MK (продолжение):
е) применение логической микросхемы DD1 аппаратно устраняет одновременное открывание транзисторов одного плеча. Импульсные помехи, возникающие в цепи питания из-за неодновременного переключения инверторов DD1.l…DD13 и разброса ВАХ транзисторов, устраняются фильтром L /, C1. Диоды VD1… VD4ставятся в случае замены звукового ВЧ-динамика BA1 (10ГД-35, 6ГД-13, 6ГДВ-4) более мощным ультразвуковым пьезоизлучателем;
ж) увеличение мощности излучателя BQ1 с помощью удвоителя напряжения на микросхеме DD1 и повышенного питания +9…+ 12 В. Транзистор VT1 согласует логические уровни;
з) увеличение амплитуды напряжения на излучателе BQJ происходит ввиду повышенного напряжения питания +9 В и накопления энергии в дросселе L1\
и) полевые транзисторы K77, VT2 (замена IRF7831) снижают потери энергии при коммутации. Резисторы R1, R2 не дают открываться транзисторам при рестарте MK; О
О Рис. 2.53. Схемы подключения ультразвуковых излучателей к MK (окончание):
к) ультразвуковой эхолокатор работает на частоте 40 кГц и генерирует импульсы длительностью 0.4 мс. Амплитуда сигнала на пьезоизлучателе BQ1 (фирма Murata) достигает 160 В. Индуктивность вторичной обмотки трансформатора T1 совместно с ёмкостью пьезоизлучателя BQ1 образует колебательный контур, настроенный на частоту, близкую к 40 кГц. Индуктивность первичной обмотки трансформатора T1 - 7.1 МК Гн, вторичной - 146 МК Гн, добротность Q > 80;
л) ультразвуковой гидроионизатор работает на частоте 1.8…2 МГц. Трансформатор T1 наматывается на трёх сердечниках 50BH K20x 10×5. Обмотки I и II содержат по 4 витка сложенного втрое провода ПЭВ-0.3, обмотка III - 12 витков провода ПЭВ-0.3. Катушка L1 содержит 5 витков провода ПЭВ-0.8 на оправке диаметром 8 мм с шагом 1 мм. Излучатель BQ1 имеет диаметр 30 мм (пьезокерамика ЦТС). Резистором R1 снижаются выбросы напряжения на стоке VT1.
