Ультразвуковая пушка своими руками. Ягма медицинская физика Ультразвуковой излучатель своими руками
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.
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.
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.
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
Ультразвуковая пушка собрана своими руками всего на двух логических инверторах и имеет минимальное количество комплектующих компонентов. Не смотря на простоту сборки, конструкция достаточно мощная и может применяться против пьяных алкашей, собак или подростков, которые засиживаются и поют в чужих подъездах.
Схема ультразвуковой пушки
Для генератора подойдут микросхемы СD4049 (HEF4049), CD4069, или отечественные микросхемы К561ЛН2, К176ПУ1, К176ПУ3, К561ПУ4 или любые другие микросхемы стандартной логики с 6-ю или 4-я логическими инверторами, но придется менять цоколевку.
Наша схема ультразвуковой пушки выполнена на микросхеме HEF4049. Как уже было сказано, нам нужно задействовать всего два логических инвертора, а какие из шести инверторов задействовать – вам решать.
Сигнал с выхода последней логики усиливается транзисторами. Для раскачки последнего (силового) транзистора в моем случае применены два маломощных транзистора КТ315, но выбор огромный, можно ставить любые NPN транзисторы малой и средней мощности .
Выбор силового ключа тоже не критичен, можно ставить транзисторы из серии KT815, KT817, KT819, KT805, КТ829 — последний является составным и будет работать без дополнительного усилителя на маломощных транзисторах. С целью повышения выходной мощности можно использовать мощные составные транзисторы типа КТ827 — но для его раскачки дополнительный усилитель все-таки будет нужен.
В качестве излучателя можно использовать любые СЧ и ВЧ головки с мощностью 3-20 Ватт, можно также задействовать пьезоизлучатели от сирен (как в моем случае).
Подбором конденсатора и сопротивления подстроечного резистора — настраивается частота.
Такая ультразвуковая пушка собранная своими руками вполне подойдет для охраны дачной территории или частного дома. Но не нужно забывать — ультразвуковой диапазон опасен! Мы не можем слышать его, но организм чувствует. Дело в том, что уши принимают сигнал, но мозг не способен раскодировать его, отсюда и такая реакция нашего организма.
Собирайте, тестируйте, радуйтесь — но будьте предельно осторожны, а я с вами прощаюсь, но ненадолго — АКА КАСЬЯН.
