Пьезоизлучатели ультразвуковые: Ультразвуковые излучатели в схемах на микроконтроллере – Одноэлементные фокусирующие излучатели ультразвука — Википедия — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

Ультразвук

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.

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ УЛЬТРАЗВУКА

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.

Пьезоэлектрический излучатель — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 28 февраля 2017; проверки требуют 2 правки. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 28 февраля 2017; проверки требуют 2 правки.

Биморфный пьезоэлемент Звук пьезоизлучателя

Пьезоэлектри́ческий излуча́тель, пьезоизлуча́тель — электроакустическое устройство, способное воспроизводить звук, либо излучать ультразвук, благодаря обратному пьезоэлектрическому эффекту.

Пьезоэлектрический излучатель состоит из металлической пластины, на которую нанесён слой пьезоэлектрика, имеющий на внешней стороне токопроводящее напыление. Пластина и напыление являются двумя контактами. Для увеличения громкости звука к металлической пластине может крепиться небольшой рупор в виде металлического или пластикового купола с отверстием^[1]. В качестве рупора также может использоваться углубление в корпусе устройства, в котором используется пьезоизлучатель.

Пьезоэлектрические излучающие элементы могут иметь сферическую или цилиндрическую форму поверхности^[2].

Номинальное напряжение звукового сигнала [V]
Допустимое напряжение звукового сигнала [V]
Рабочий ток (при напряжении[V], частоте [KHz]) [mA]
Ёмкость (на частоте [Hz]) [pF]
Резонансная частота [Hz]
Звуковое давление (на расстоянии [cm]) [dB]
Диапазон рабочих температур [°C]
Габаритные размеры [mm]
Масса [g]

Пьезоизлучатели отечественного производства[править | править код]

Отечественные пьезоизлучатели имеют обозначения, состоящие из букв «ЗП» (звукоизлучатель пьезоэлектрический) и номера серии. Наиболее распространённые в отечественной бытовой технике излучатели — ЗП-1 и ЗП-3.

Звукоизлучатели типа ЗП приводятся в действие подачей переменного напряжения определённой частоты и амплитуды, обычно, 3…10 В. Частота, при которой звуковое давление максимально, может достигать 75 дБ на расстоянии 1 метр от излучателя. Резонансная частота для большинства пьезоизлучателей составляет 1…4 кГц. Этим обусловлен их характерный, узнаваемый звук, напоминающий «пип».

Пьезоизлучатели широко используются в различных электронных устройствах — часах-будильниках, телефонных аппаратах, электронных игрушках, бытовой технике. Часто используются в качестве излучателей ультразвуковых колебаний в устройствах отпугивания грызунов и насекомых, увлажнителях воздуха, ультразвуковых «стиральных машинах» (см. ультразвуковая очистка).

Пьезоизлучатель также может использоваться в качестве пьезоэлектрического микрофона или датчика.

МОДЕРНИЗИРОВАННАЯ УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ПУШКА «ИГЛА-М»

МОДЕРНИЗИРОВАННАЯ УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ПУШКА «ИГЛА-М»

Ультразвук — это упругие волны высокой частоты. Обычно ультразвуковым диапазоном считают полосу частот от 20 000 до нескольких миллиардов герц. Сейчас ультразвук широко применяется в различных физических и технологических методах. То, что ультразвук активно воздействует на биологические объекты (например, убивает бактерии), известно уже более 70 лет. Электронная аппаратура со сканирующим ультразвуковым лучом используется в нейрохирургии для инактивации отдельных участков головного мозга мощным сфокусированным высокочастотным пучком. Высокочастотные колебания вызывают внутренний разогрев тканей.

До сих пор идут дискуссии о физическом влиянии ультразвуковых колебаний на клетку и даже о возможном нарушении структур ДНК. Более того, существуют сведения о том, что на микроуровне — не на уровне строения тела, а на каком-то более тонком, ультразвуковое воздействие оказывается вредным.

Ультразвук можно получить от механических, электромагнитных и тепловых источников. Механическими излучателями обычно служат разного рода сирены прерывистого действия. В воздух они испускают колебания мощностью до нескольких киловатт на частотах до 40 кГц. Ультразвуковые волны в жидкостях и твердых телах обычно возбуждают электроакустическими, магнитострикционными и пьезоэлектрическими преобразователями.

В промышленности давно уже изготавливают девайсы для ультразвукового воздействия на животных, например такие:

Назначение

Миниатюрный отпугиватель собак представляет собой носимый электронный прибор (собран в корпусе минифонарика), излучающий ультразвуковые колебания, слышимые собаками и не воспринимаемые человеком.

Принцип действия

Прибор разработан для защиты от нападения собак: ультразвуковое излучение определенной мощности обычно останавливает агрессивно настроенную собаку на расстоянии 3 — 5 метров или обращает ее в бегство. Наибольший эффект достигается при воздействии на агрессивных бродячих собак.

Технические характеристики

Напряжение питания (1 аккумулятор типа 6F22 (KRONA)), В 9
Ток потребления, не более, А 0,15
Масса с аккумуляторами, не более, г 90

Как Вы понимаете, это слабая игрушка, но мы сделаем девайс гораздо мощнее! Продолжая эксперименты с ультразвуком (смотрите статью на сайте — ультразвуковая пушка»игла»), было сделано ряд интересных усовершенствований и доработок. Так был произведён революционный метод воздействия (естественно негативного), на живой организм двух ультразвуковых излучателей с разностной частотой несколько герц. То есть частота одного излучателя например 20000 Гц, а другого — 20010 Гц. В результате на ультразвуковое излучение накладывается инфразвуковое, что многократно усиливает деструктивный эффект!

Схема стандартная, генератор на CD4069 + усилитель на трёх Н-П-Н транзисторах. Питание не менее 12 В, при токе до 1 А.

Для усиления направленного эффекта используем цилиндрические звуковые резонаторы. Их роль будет выполнять обычная никелированная трубка от пылесоса. Только не надо портить пылесос, трубка отдельно продаётся на базаре или в магазине запчастей.

Обрезаем два куска на экспериментально определённую длинну (где-то пару сантиметров), и прикрепляем их к ВЧ головкам типа 5ГДВ-4 или любых других. Можно купить двойную насадку на выхлопную трубу автомобиля, монтаж гораздо удобнее, а эффект будет ещё лучше.

Внутрь вставляем ВЧ динамики, в задней части монтируем плату с аккумулятором.

Схемы для начинающих

Излучатели ультразвуковые: характеристики действия ультразвука

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.

ультразвуковой излучатель для увлажнителя

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 стандартную модель, 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 паяльной лампой. 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.

ультразвуковой излучатель для увлажнителя воздуха

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 волнового сопротивления 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.

Ультразвуковые преобразователи. Ультразвуковые датчики.

Пьезоэлектрические преобразователи нашли широкое применение в различных областях, начиная от зажигалок и заканчивая медицинскими исследованиями. Наиболее часто встречающаяся конструкция преобразователя представлена на рисунке 1. Такой тип передатчика обычно применяется для излучения ультразвуковых волн в жидкую или твердую среду, а также для измерения расхода газа. Активным элементом преобразователя является пьезоэлемент (пьезокерамический диск), который как показано на рисунке 1 находится между согласующим слоем и демпфером. Два электрода на верхней и нижней поверхности диска соединены с генератором сигналов. Согласно пьезоэлектрическому эффекту, пьезоэлектрический диск будет колебаться, когда синусоидальное переменное напряжение прикладывается к электродам пьезоэлектрического диска. Колебание диска связано с частотой переменного синусоидального напряжения и размерами диска [1].

Рисунок 1 – Конструкция пьезоэлектрического преобразователя

Обычно пьезоэлектрический материал с высоким коэффициентом электромеханической связи имеет большое волновое сопротивление по сравнению с водой и воздухом. Поэтому, полоса пропускания частотной характеристики диска ниже. Неподходящее волновое сопротивление можно преодолеть, используя передний (согласующий) и задний (демпфер) слои между пьезоэлектрическим диском и жидкой средой, как показано на рисунке 1.

Задний слой обычно имеет высокий коэффициент затухания, высокую плотность материала, которая требуется для того чтобы контролировать колебания преобразователя путем поглощения энергии излучаемой пьезоэлементом назад.

Когда акустическое сопротивление задней части совпадает с волновым сопротивлением активного элемента (пьезокерамики), результатом будет сильно демпфированный преобразователь, который демонстрирует хорошую область разрешения, что связано с широкой полосой частот обеспечиваемой передатчиком, но при этом он может иметь меньшую амплитуду сигнала.

Если акустический импеданс пьезоэлемента и задней части не совпадает, больше звуковой энергии будет отражаться вперед в исследуемое вещество. Конечным результатом является преобразователь, который имеет меньшее разрешение, вследствие более длиной продолжительности осциллограммы, но может иметь более высокую амплитуду сигнала и лучшую чувствительность.

Основная цель согласующего слоя преобразователя заключается в том, чтобы защитить пьезоэлемент от исследуемого вещества. Согласующий слой должен быть прочным и коррозионностойким к исследуемой жидкости. Дополнительно передний слой должен связывать высокое акустическое сопротивление пьезокерамики с низким акустическим сопротивлением жидкости. Толщина согласующего слоя выбирается равной четверти длины волны. Это основано на идеи суперпозиции волн находящихся в одной фазе, что увеличивает амплитуду сигнала в два раза.

Существует много подходов для того чтобы сделать оптимальный выбор толщины и волнового сопротивления заднего и переднего слоя, некоторые из которых отражены в следующих работах [2, 3, 4, 5, 6, 7]. Пьезоэлектрический преобразователь может быть использован как в качестве излучателя, так и в качестве приемника. В режиме передатчика ультразвуковая волна создается пьезокерамикой, к которой прикладывается напряжение. В режиме приемника, пьезокерамика преобразует приходящую акустическую волну в электрический сигнал. В некоторых случаях преобразователь используется одновременно как приемник и как передатчик. Преобразователь может работать в режиме возбуждения пьезокерамики непрерывной синусоидально волной, или в импульсном режиме.

В низкочастотном ультразвуковом диапазоне используют преобразователи следующей конструкции (рисунок 2).

Рисунок 2 – Конструкция ультразвукового преобразователя

Активный элемент ультразвукового преобразователя состоит из двух пьезокерамических пакетов, между которыми находится металлический цилиндр. Все элементы прибора фиксируются и сжимаются под определенным усилием с помощью стального болта, который вызывает начальную поляризацию пьезокерамических пакетов. Амплитуда колебаний такого преобразователя зависит от количества пьезокерамик, от характеристик используемых материалов. Максимальные колебания кончика излучателя такого преобразователя могут достигать десяти микрон на резонансной частоте. Пьезокерамический преобразователь стандартной конструкции (с цилиндрическим излучателем) на самом деле совершает колебания маленькой амплитуды. Общей практикой для усиления механических колебаний является использование конусной формы излучателя и излучателей с экспоненциальной формой. В области высоких ультразвуковых мощностей длину излучателя делают равной половине волны резонансных колебаний [8].

В качестве примера рассмотрим конструкцию ультразвукового бура, разработанного для марсоходов Спирит и Оппортьюнити, предназначенных для программы NASA исследования планет солнечной системы (рисунок 3). Он состоит из трех главных компонентов: ультразвукового вибратора, свободной массы и буровой штанги (рисунок 3).

Рисунок 3 – Ультразвуковой бур

Ультразвуковой вибратор состоит из пакета круглых пьезокерамик, ультразвукового рупора, металлической задней части и болта, создающего первоначальное напряжение, чтобы плотно соединить все эти части и обеспечить предварительное напряжение на пьезокерамический пакет. Пьезокерамический материал должен быть под первоначальной нагрузкой, чтобы не выйти из строя во время деформации. Пьезоэлектрический пакет работает на резонансной частоте ультразвукового вибратора. Через усиливающий ультразвуковой рупор, смещение колебаний достигает 10 микрон на кончике рупора (излучателя). Свободная масса соединена с кончиком ультразвукового рупора бура. В течение операции взятия пробы, свободная масса балансирует и двигается назад и вперед между ультразвуковым рупором и буровой штангой. Благодаря тому, что скорость колебаний свободной массы меньше чем скорость колебаний кончика рупора, свободная масса обычно контактирует с кончиком рупора в подходящей фазе колебаний кончика рупора. В момент, когда свободная масса достигает рупора, она ускоряется и двигается назад к буровой штанге. Свободная масса передает ударные импульсы от ультразвукового преобразователя к буровой штанге с частотой от 10 Гц до 1000 Гц. Ударные волны возникают из-за удара свободной массы по буровой штанге и распространяются к камню/грунту. Под ударом хрупкая среда (камень, лед и т.д.) разрушается, когда его предельная деформация превышается [9].

Библиографический список

Jan Kocbach. Finite element modeling of ultrasonic piezoelectric transducers.-University of Bergen Department of Physics.:September 2000
J. H. Goll. The design of broad-band fluid-loaded ultrasonic transducers.- IEEE Trans. Sonics Ultrason. SU-26, 1979.
J. W. Hunt, M. Arditi, and F. S. Foster. Ultrasound transducers for pulse-echo medical imaging, IEEE Trans. Biomed. Eng. BME-30, 1983.
N. G. Pace and P. D. Thorne. Efficiency of face-plated underwater acoustic transducers. Ultrasonics 21, 1983.
G. Kossoff. The effects of backing and matching on the performance of piezoelectric ceramic transducers. IEEE Trans. Sonics Ultrason. SU-13, 1966.
N. Lamberti, G. Caliano, A. Iula, and M. Pappalardo. A new approach for the design of ultrasono-therapy transducers, IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Contr. 44, 1997.
G. L. Wojcik, C. DeSilets, L. Nikodym, D. Vaughan, N. Abboud, and J. Mould Jr. Computer modeling of diced matching layers, in Proc. of 1996 IEEE Ultrason. Symp. IEEE, New York, 1996.
I.Chilibon, M.Wevers, J.Lafaut. Ultrasound underwater transducer for extracorporeal shock wave lithotripsy.-Bucharest, Romania.: Romanian Reports in Physics, 2005
Zensheu Chang, Stewart Sherrit, Xiaoqi Bao, and Yoseph Bar-Cohen., Design and analysis of ultrasonic horn for USDC (Ultrasonic/Sonic Driller/Corer).: NASA/JPL, USA, 2003

Ультразвуковая стиральная машина | Мастер-класс своими руками

Ультразвуковая стиральная машина предназначена для стирки белья с помощью создаваемых в моющем растворе звуковых колебаний, частота которых близка к ультразвуковой. Особенностями УСМ является то, что при стирке отсутствует механическое трение белья, белье после стирки УСМ полностью дезинфицируется, потребление электроэнергии прибором не более 15 Вт.

Устройство ультразвуковой стиральной машины состоит из блока питания, выполненного по бесгрансформаторной схеме, генератор импульсов на транзисторе VT1, пьезокерамического излучателя в герметическом водозащищенном корпусе. Импульсное напряжение с генератора повышается до 50 — 55 В при помощи трансформатора Tpl. Частота следования импульсов в пределах 18-30 Кгц. Светодиод VD5 предназначен для индикации работы генератора.

Изготовление

Принципиальная электрическая схема устройства представлена на рис. 1, рисунок печатной платы с расположением элементов — на рис. 2. Импульсный трансформатор намотан на замкнутом Ш — образном сердечнике из магнитомягкого феррита типа 600 ПВ, который склеен из двух Ш — образных сердечников Ш бхб. Обмотка I содержит 70 витков провода ПЭВ-0,3, обмотка II — 10 витков провода ПЭВ-0,3. обмотка Ш — 450 витков того же провода.
Намотка производится на двухсекционном каркасе из электрокартона виток к витку: обмотка III располагается в одной секция; I и П — в другой, причем обмотка II намотана поверх обмотки I. После намотки каркас помещается на средний стержень сердечника Ш бхб, сверху приклеивается клеем БФ-2 второй сердечник Ш бхб, образуя замкнутый магнитопровод. Печатая плата изготовлена из фольгированного одностороннего стеклотекстолита СФ толщиной 1,5…2 мм.
После сборки и настройки УСМ Tpl желательно залить эпоксидной смолой или герметикой. При использовании исправных деталей и правильной сборке схема начинает работать сразу. При отсутствии генерации (на слух) — нужно поменять местами концы обмотки I. Пьезокерамический излучатель Z1 в авторской конструкции использован промышленный дисковой формы (рис. 3) из керамики типа ЦТС-9. В качестве замены можно порекомендовать пьезоизлучатели типа ЗИ-19 и им подобные, соединенные так, как показано на рис. 4.
Отверстие в пластмассовом кожуре излучателя аккуратно расширяют до диаметра 20 мм. Пьезоизлучатель (рис 3) помещается в корпус (рис. 5), склеенный из трех листов оргстекла, фиксируется в среднем листе клеем: после пришивания проводом заливается герметикой для заделки стыков. Заливку производить заподлицо с поверхностями крайних листов. Канал для прохождения провода в корпусе также заливается герметикой. Схема устройства размешена в корпусе от старого блока питания (например, от микрокалькулятора) и соединяется с излучателем проводом в хлорвиниловой оболочке длиной 2500 мм. Использование в конструкции в качестве излучателей высокочастотных головок динамических типа 4ГДВ допустимо, но срок их службы невелик.
При установке головки в корпус, подобный показанному на рис. 5, ее необходимо изолировать (обернуть) тонкой резиной с натяжением (особенно над рупором головки), после этого залить герметикой.

Эксплуатация устройства

Сильно загрязненное белье замачивать за 2-3 часа до стирки. Стирку производить в емкости объемом не более 15-20 литров в следующей последовательности:
1. Приготовить емкость для стирки с соотношением ширины дна к высоте не менее чем 1:1,5 (ведро, глубокий таз и т.д.)
2. Наполнить емкость водой температурой 40-50° С для синтетики или 60-65° С для хлопка и льна. Температуру уточнить по ярлыку стираемой ткани.
3. Засыпать в воду стиральный порошок.
4. Опустить на середину емкости излучатель.
5. Погрузить белье (не более 1,5 кг сухою веса). Проследить, чтобы белье свободно плаваю в моющем растворе. Сильно загрязненные места намылить мылом.
6. Подключить устройство в сеть.
7 Время стирки 30-90 минут, в процессе стирки белье переворачивать примерно раз в 10-15 минут. Процесс стирки невидим. Также УСМ эффективно при замачивании белья перед стиркой в обычной машине, при этом эффект дезинфекции также сохраняется.
8. После окончания стирки УСМ отключить от сети, промыть и просушить излучатель.
9. Прополоскать белье.
Использование УСМ особенно эффективно при стирке тонких шерстяных вещей тонкого белья и т д. Вещи при этом не перекручиваются не растягиваются и не теряют формы.

Как сделать магнитострикционный излучатель своими руками: описание, схема и рекомендации

Для генерации ультразвука применяются специальные излучатели магнитострикционного типа. К основным параметрам устройств относится сопротивление и проводимость. Также учитывается допустимая величина частоты. По конструкции устройства могут отличаться. Также надо отметить, что модели активно применяются в эхолотах. Чтобы разобраться в излучателях, важно рассмотреть их схему.