Несколько дней назад поступил очередной заказ. Покупатель хотел заказать мощную ультразвуковую пушку для борьбы с пьяной молодежью, для которых день начинается ночью, когда все нормальные люди спят. Недолго думая выбрал проверенную схему мощного ультразвукового излучателя. Сама пушка построена всего на одной микросхеме стандартной логике.
Подойдут буквально любые аналогичные микросхемы, содержащие 6 логических инверторов. В нашем случае применена микросхема CD4049 (HEF4049), которая успешно может быть заменена на отечественную - К561ЛН2, только нужно обратить внимание на цоколевку, поскольку К561ЛН2 отличается от использованной некоторыми выводами.
Поскольку схема достаточно простая, то может быть реализована на макетной плате или навесным образом. Усилитель собран на комплементарных парах КТ816/817, за счет применения этих ключей, мощность нашей пушки составляет 10-12 Ватт.
В качестве излучателя желательно использовать высокочастотные головки типа 10 ГДВ или импорт, не советуется использовать пьезоизлучатель.
Корпус - от китайского электронного трансформатора 10-50 ватт, пришлось переделывать, поскольку плата не вместилась.
За частоту отвечает конденсатор 1,5нФ (который потом заменил на 3,9 нФ, поскольку с указанным в схеме конденсатором нижняя грань частот ровна 20кГц, а с такой заменой частоту можно настроить в пределах 10-30кГц) и переменный резистор (в итоге, настройку делают вращением этого резистора).
Базовые резисторы можно заменить на 2.2кОм, которые являются более распространенными, чем те, которые указаны в схеме. Питается такой излучатель от стабилизированного блока питания на 5 Вольт с током 1 А (диапазон питающих напряжений 3,7-9 Вольт).
Лечебный факультет
1 курс
1 семестр
1 поток
Лекция № 5
«Ультразвук»
Составил: Бабенко Н.И.
2010 г.
Ультразвук и его получение. Излучатели ультразвука.
Ультразвук - это механические колебания, частотой свыше 20 000 Гц, которые распространяются в упругих средах в виде продольных волн. Источники ультразвука бывают:
1. Естественные:
2. Искусственные:
акустикомеханические преобразователи;
электроакустические преобразователи (пьезоэлектрические, магнитострикционные).
Естественные источники ультразвука - это источники не созданные руками человека и самостоятельно существующие в природе.
Живые источники: кузнечики, сверчки, рыбы, летучие мыши, дельфины. Неживые источники: ветер, обвалы в горах, землетрясения.
Искусственные источники ультразвука называются акустическими преобразователями, т. к. они преобразуют механическую или электрическую энергию в энергию ультразвуковых колебаний.
Акустикомеханические преобразователи - это такие преобразователи, в которых ультразвуковые колебания возникают при прерывании потока жидкости или газа. Примеры: свисток Гальтона, ультразвуковая сирена.
Электроакустические преобразователи - это такие преобразователи, в которых ультразвуковые колебания возникают при действии на некоторые вещества переменных электрических или магнитных полей.
Пьезоэлектрические преобразователи (пьезо - давлю) - такие преобразователи, которые для получения ультразвука используют явление обратного пьезоэффекта.
Пьезоэффект бывает прямой и обратный.
Прямой пьезоэффект заключается в появлении на поверхности некоторых кристаллов (пьезодиэлектриков) зарядов под действием механического напряжения (сжатие, растяжение, изгиб). Рис.1.
При прямом пьезоэффекте:
величина заряда на поверхности пропорциональна приложенному механическому напряжению;
знак заряда определяется направлением механического воздействия.
нет воздействия сжатие растяжение
Обратный пьезоэффект - это явление изменения размеров (деформации) диэлектрика при его помещении в переменное электрическое поле.
Вещества с выраженными пьезоэлектрическими свойствами называются пьезоэлектриками или пьезодиэлектриками: сегнетова соль, титанат бария, кварц.
Магнитострикционные преобразователи - это такие преобразователи, которые для получения ультразвука используют явление магнитострикции. Магнитострикция - это явление изменения форм (размеров) некоторых ферромагнитных веществ под действием переменного магнитного поля.
К этим веществам относятся:
Никель и его сплавы;
Кобальт и его сплавы;
Ферриты - керамические соединения на основе оксидов железа, никеля, цинка.
Вещество в виде стержня помещают внутрь катушки. При подключении катушки к источнику переменного электрического напряжения ультразвуковой частоты, электрический ток воздействует на стержень своей магнитной составляющей и вызывает его деформацию (удлинение) с частотой тока. Рис.2
Возвращаясь с работы ночью или бродя по темным переулкам, есть опасность подвергнутся нападению бродячих собак, укусы которых иногда опасны для жизни, если вовремя не обратится к врачам. Именно для этих случаев умные человеческие мозги придумали ультразвуковой отпугиватель.
Промышленные отпугиватели имеют достаточно сложную схему и выполнены на достаточно дефицитных компонентах.
В этой статье мы рассмотрим вариант такого отпугивателя с использованием знаменитого таймера 555 серии. Таймер, как известно, может работать в качестве генератора прямоугольных импульсов, именно такое подключение использовано в схеме.
Генератор работает на частоте 20-22 кГц, как известно многие животные "общаются" на ультразвуковом диапазоне. Опыты показали, что частоты 20-25 кГц вызывают у собак искусственный страх, благодаря построечному регулятору, генератором можно настроить на частоту 17-27кГц.
Сама схема содержит всего 6 компонентов и не вызовет никаких затруднений. Регулятор желательно использовать многооборотный, для более точной настройки на нужную частоту.
Пьезоизлучатель можно взять от калькулятора или любых других музыкальных игрушек, можно также использовать любые ВЧ головки с мощностью до 5 ватт, больше попросту нет смысла.
Устройство эффективно действует на расстоянии 3-5 метров, поскольку в схеме нет дополнительного усилителя мощности.
В качестве источника питания, удобно использовать крону, или любой другой источник с напряжением от 6 до 12 вольт.
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Программируемый таймер и осциллятор | NE555 | 1 | В блокнот | |||
| R1 | Резистор | 2.2 кОм | 1 | В блокнот | ||
| R2 | Резистор | 1 кОм | 1 | В блокнот | ||
| R3 | Переменный резистор | 4.7 кОм | 1 | В блокнот | ||
| C1 | Электролитический конденсатор | 10 мкФ | 1 | В блокнот | ||
| C2 | Конденсатор | 10 нФ | 1 | В блокнот | ||
| Пьезоизлучатель | 1 |
Погружной ультразвуковой преобразователь это устройство, предназначенное для передачи в жидкую среду ультразвуковых колебаний, содержащие герметичный корпус с диафрагмой, являющейся частью поверхности этого корпуса, внутри которого расположены и закреплены на диафрагме пьезоэлектрические излучатели, электроды, которых электрически соединены с высокочастотным кабелем, служащим для подачи на пьезоэлектрические излучатели высокочастотного электрического напряжения от генератора ультразвуковой частоты.
Используется для возбуждения в жидкой моющей среде ультразвуковой кавитации, обеспечивающей интенсификацию процессов очистки деталей от загрязнений. Применяются в ваннах для ультразвуковой очистки объемом свыше 50 л.
Рис.1 Погружной преобразователь
в У.З. ванне
Устройство ультразвукового погружного преобразователя схематично показана на рис.1.
Генератор подключается к сети 220 вольт 50 Гц и преобразует частоту напряжения до 25.000 гц (25 кГц) или 35 кГц. в зависимости от конструкции погружного преобразователя.
Высокочастотное напряжение подается по кабелю в герметичный корпус преобразователя, изготовленный из нержавеющей стали внутри которого смонтированы пьезоэлектрические излучатели, соединенные параллельно.
Рис.2 Устройство пьезоэлектрического излучателя
Пьезоэлектрический излучатель является основным узлом погружного ультразвукового преобразователя. Устройство этого излучателя показано на рис.2.
Излучатель имеет две пьезоэлектрических пластины (пьезоэлементы), расположенные между двумя металлическими накладками: стальной расположенной с задней стороны и алюминиевой - с передней.
Пьезоэлементы стянуты в одно целое с накладками посредством центрального болта. На центральный электрод, расположенный между пьезоэлементами, подается высокочастотное напряжение.
Пьезоэлектрический излучатель преобразует электрическую энергию в высокочастотные механические колебания, которые передаются диафрагме погружного преобразователя, от которой эти колебания передаются в моющую жидкость.
Количество пьезоэлектрических излучателей в погружном ультразвуковом преобразователе может составлять от 4-х до 11-ти и более штук.
Закрепляются пьезоэлектрические излучатели на диафрагме посредством клеевого соединения.
Рис.3 Погружной преобразователь
Общий вид ультразвукового погружного преобразователя с частично вырезанной задней крышкой показан на рис.3. Видно, что пьезоэлектрические излучатели расположены в несколько рядов по два в каждом ряду.
Погружные ультразвуковые преобразователи могут использоваться как в специально разработанных для них ваннах ультразвуковой очистки, так и в уже имеющихся у заказчика очистных ванны. Удобство этих преобразователей состоит в том, что они могут быть легко установлены в различные части объема ванны.
В отличие от ультразвуковых преобразователей, прочно прикрепленных к ванне очистки снизу или сбоку, погружные преобразователя могут быть заменены в течение нескольких минут.
Генератор для питания погружных преобразователей высокочастотным напряжением может располагаться от ультразвуковой ванны на расстоянии до 6 метров.
Способы монтажа погружных преобразователей в ванне ультразвуковой очистки
Погружные преобразователи могут быть размещены в ваннах для очистки тремя различными способами:
- размещением преобразователя на дне ванны;
- навешиванием на стенку ванны;
- креплением преобразователя на стенке ванны.
Рис.4 Размещение преобразователя в УЗ ванне
Первые два способа не требуют выполнения отверстий в стенке ванны.
Некоторые виды крепления погружного преобразователя в ванне для ультразвуковой очистки показаны на рис.4.
При размещении преобразователя на дне ванны надо учитывать высоту слоя моющего раствора над диафрагмой преобразователя.
Следует стремиться к тому, чтобы высота этого слоя была бы кратна половины длины волны ультразвуковых колебаний, передаваемых в моющий раствор погружным преобразователем.
В этом случае за счет отражения волн ультразвуковых колебаний от границы вода-воздух в моющем растворе создается зона стоячих волн (явление реверберации). При реверберации ультразвуковых волн в жидкости эффективность ультразвуковой очистки несколько выше.
В качестве примера определим оптимальную высоту этого слоя для конкретного погружного преобразователя.
Известно, что скорость звука в воде составляет 1485 м/сек. Длина волны ультразвуковых колебаний равна частному от деления скорости звука на частоту этих колебаний.
Предположим что мы имеем погружной ультразвуковой излучатель частота колебаний диафрагмы которого составляет 25 000 гц (25 кГц). Длина волна в этом случае будет 0,0594 м. Половина длины волны равна 0,0297 м. или 2,97 см. Оптимальная высота жидкости в этом случае над поверхностью погружного преобразователя должна быть 2,97см x n где n-любое целое положительное число.
Рис.5 Стоячие волны в УЗ ванне
Например, для n=40 оптимальная высота уровня моющего раствора над поверхностью погружного преобразователя составит 2,97х40=118.8 см. Изложенное выше иллюстрируется рис.5.
Размещение погружных ультразвуковых преобразователей на стенках ванны очистки рекомендуется в том случае, когда ее глубина более чем в два раза меньше ее ширины или длины. При этом преобразователи могут размещаться как на одной стенке ванны так и на ее противоположных стенках.
На видеоролике показано размещение погружных преобразователей на боковых стенках ванны и работа погружных ультразвуковых преобразователей, размещенных на дне ванны.
Погружные преобразователи в работе
Выбор оптимальной частоты для погружного преобразователя
При распространении в жидкости ультразвуковых колебаний возникает явление, называемое кавитацией, под которой понимается образование в жидкости кавитационных полостей в фазе разряжения звуковой волны и последующее ее захлопывание в фазе сжатия.
Рис.6 Влияние частоты на уз кавитацию
Поведение кавитационных полостей при изменении частоты колебаний показано на графике на рис.6.
По оси ординат с левой стороны показана величина энергии выделяемой при захлопывании единичной кавитационной полости (энергия кавитации) а по оси ординат справа показано число кавитационных полостей в единице объема жидкости.
Как видно из графика с увеличением частоты ультразвуковых колебаний количество кавитационных полостей в жидкости увеличивается, а энергия кавитации уменьшается.
С понижением частоты ультразвуковых колебаний число кавитационных полостей в жидкости уменьшается, а энергия кавитации увеличивается.
При этом для каждой частоты ультразвуковых колебаний произведение энергии выделяемой кавитационной полостью при ее захлопывании на число этих пузырьков в жидкости является величиной постоянной примерно равной энергии передаваемой в жидкость ультразвуковым погружным преобразователем.
Подробно влияние частоты ультразвуковых колебаний на количество кавитационных полостей рассмотрено на сайте
Для практики важно, чтобы число кавитационных полостей было бы как можно больше, но при этом энергия кавитации должна быть достаточной для удаления загрязнений. Таким образом, для очистки деталей от загрязнений непрочно связанных с поверхностью (жиры, масла) следует применять преобразователи с частотой 35-40 кГц а для очистки деталей от загрязнений прочно связанных с поверхностью (полировальные пасты, лаковые и полимерные пленки) следует применять погружные преобразователи с более низкой частотой 20-25 кГц.
сменить рисунок
Рис.7 УЗ ванна с преобразователями разной частоты
Наиболее оптимальным решением является создание таких уcловий, когда чиcло кавитационных полостей было бы велико и при этом энергия кавитации также была бы большой.
Эти условия реализуются в ванне ультразвуковой очистки с погружными преобразователями, расположенными на ее стенках, как показано на рис.7. Другой вариант расположения погружных преобразователей можно увидеть, если подвести курсор к этому рисунку.
В этом случае применяются два преобразователя с разными частотами колебаний 25 и 35 кГц. Преобразователь с частотой в 35 кГц обеспечивает создание в объеме моющей жидкости большего количества кавитационных полостей, а преобразователь с частотой в 25 кГц увеличивает энергию кавитации этих полостей.
Оптимальное количество погружных преобразователей для ванны очистки
При определении числа необходимых погружных преобразователей надо исходить из того, что максимальная эффективность ультразвуковой очистки достигается при ультразвуковой мощности 10...30 ватт на 1 литр объема ванны.
Так например, для ванны объемом 50 литров достаточно двух преобразователей модели ПП25.8 (см.таблицу ниже).
Для больших по объему ванн ультразвуковой очистки, например свыше 250 литров, удовлетворительные результаты достигаются и при ультразвуковой мощности 4.5 ватт на 1 литр объема ванны. Например, для ванны объемом 1000 л достаточно 11 преобразователей модели ПП25.8
В настоящее время на отечественном рынке имеется много конструкций ультразвуковых погружных преобразователей.
В таблице приведены технические характеристики погружных ультразвуковых преобразователей компании ООО ТНЦ Техносоник (Москва).
В данной статье не рассмотрены полностью все аспекты конструкции и использования погружных ультразвуковых преобразователей. Однако представленный материал может быть полезен для специалистов перед которыми впервые поставлены конкретные задачи по выбору оптимального варианта ультразвуковой ванны для очистки изделий.
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.
