Демонстраційна ультразвукова установка. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки / Електроніка у побуті

 Коментарі до статті

У статті описується конструкція найпростішої ультразвукової установки, призначеної для демонстрації дослідів із ультразвуком. Установка складається з генератора ультразвукових коливань, випромінювача, фокусуючого пристрою та кількох допоміжних пристроїв, що дозволяють демонструвати різні досліди, які пояснюють властивості та способи застосування ультразвукових коливань.

За допомогою найпростішої ультразвукової установки можна показати поширення ультразвуку в різних середовищах, відображення та заломлення ультразвуку на межі двох середовищ, поглинання ультразвуку у різних речовинах. Крім цього є можливість показати отримання масляних емульсій, очищення забруднених деталей, ультразвукове зварювання, ультразвуковий рідинний фонтан, біологічна дія ультразвукових коливань.

Виготовлення подібної установки може бути здійснено у шкільних майстернях силами учнів старших класів.

Установка для демонстрації дослідів з ультразвуком складається з електронного генератора (рис.1), кварцового перетворювача електричних коливань ультразвукової та лінзової судини (рис.2) для фокусування ультразвуку. До блоку живлення входить тільки силовий трансформатор Тр1, так як анодні ланцюги ламп генератора живляться безпосередньо змінним струмом (без випрямляча). Таке спрощення не позначається негативно на роботі приладу і водночас помітно спрощує його схему та конструкцію.

Електронний генератор виконаний за двотактною схемою на двох лампах 6ПЗС, включених за тріодною схемою (екранні сітки ламп з'єднані з анодами). В анодні ланцюги ламп включений контур L1C2, що визначає частоту коливань, що генеруються, а в сіткові ланцюги - котушка зворотного зв'язку L2. У катодні ланцюги включено невеликий опір R1, що значною мірою визначає режим ламп.

Рис.1. Принципова схема генератора

Високочастотний сигнал подається на кварцовий резонатор через конденсатори роздільні С4 і С5. Кварц розміщується в герметичному кварцетримачі (рис. 2) і з'єднується з генератором проводами завдовжки 1 м.

Рис. 2. Лінзова судина та кварцетримач

Крім розглянутих деталей, у схемі є ще конденсатори C1 і С3 і дросель Др1 через який на аноди ламп подається анодна напруга. Цей дросель запобігає короткому замиканню високочастотного сигналу через конденсатор C1, і міжвиткову ємність силового трансформатора.

Основними саморобними деталями генератора є котушки L1 та L2, виконані у вигляді плоских спіралей. Для їхнього виготовлення необхідно випиляти дерев'яний шаблон. З дошки шириною 25 см випилюються два квадрати, які є щічками шаблону. У центрі кожної щічки слід зробити отвори для металевого стрижня діаметром 10-15 мм, а в одній із щічок вирізати отвір або канавку шириною 3 мм для кріплення виводу котушки. На металевому стрижні з обох кінців нарізають різьблення і між двома гайками розміщують щічки на відстані, що дорівнює діаметру дроту, що намотується. На цьому виготовлення шаблону можна вважати закінченим і приступити до намотування котушок.

Металевий стрижень одним кінцем затискають у лещатах, між щічками укладають перший (внутрішній) виток дроту, після чого стягують гайки і продовжують намотування. Котушка L1 має 16 витків, а котушка L2-12 витків мідного дроту діаметром 3 мм. Котушки L1 і L2 виготовляються окремо, потім розміщуються одна над одною на хрестовині з текстоліту або пластмаси (рис. 3). Для того, щоб надати котушкам велику міцність у хрестовинах ножівкою або напилком випилюються поглиблення. Для закріплення котушок одну з них зверху слід притиснути другою хрестовиною (без заглиблень), а другу покласти прямо на пластину з органічного скла, гетинаксу або пластмаси, що укріплена на металевому шасі генератора.

Рис. 3

Дросель високої частоти намотується на керамічному або пластмасовому каркасі діаметром 30 мм дротом марки ПЕЛШО-0,25 мм. Намотування ведеться внавал секціями по 100 витків у кожній. Усього дросель має 300-500 витків. У даній конструкції застосований саморобний силовий трансформатор, виконаний на сердечнику із пластин Ш-33, товщина набору 33 мм. Мережева обмотка містить 544 витки дроту ПЕЛ-0,45. Мережева обмотка розрахована на включення в мережу з напругою 127 B. У разі використання мережі з напругою 220 обмотка I повинна містити 944 витка проводу ПЕЛ-0,35. Підвищуюча обмотка має 2980 витків дроту ПЕЛ-0,14 та жарова обмотка ламп - 30 витків дроту ПЕЛ-1,0. Такий трансформатор можна замінити силовим трансформатором марки ЕЛС-2, використовуючи тільки мережеву обмотку, загальну обмотку ламп і підвищує обмотку повністю, або будь-яким силовим трансформатором потужністю не менше 70 BA і з підвищує обмоткою, що забезпечує при навантаженні 470 B на анодах ламп.

Кварцетримач виготовляється з бронзи за кресленням, поміщеним на рис. 4. У корпусі за допомогою свердла діаметром 3 мм просвердлюється Г-подібний отвір для виведення дроту л, В корпус вставлено гумове кільце, яке служить для амортизації та ізоляції кварцу. Кільце можна вирізати із звичайної гумки для стирання олівця. Контактне кільце вирізається з латунної фольги товщиною 0,2 мм. Це кільце має пелюсток м для припаювання дроту. Обидва дроти л і повинні мати хорошу ізоляцію. Провід і припаюється до опорного фланця О. Не рекомендується скручувати дроти між собою.

Рис.4. Кварцетримач

Лінзова судина складається з циліндра е та ультразвукової лінзи б (рис.5). Циліндр вигинають із платівки органічного скла товщиною 3 мм на круглому дерев'яному шаблоні діаметром 19 мм.

Рис.5. Лінзова судина

Пластину нагрівають над полум'ям до розм'якшення, згинають за шаблоном і склеюють оцтовою есенцією. Склеєний циліндр зв'язують нитками та залишають до висихання на дві години. Після цього наждачним папером вирівнюють торцеві кінці циліндра та знімають нитки. Для виготовлення ультразвукової лінзи потрібно зробити спеціальне пристосування (рис. 6) зі сталевої кульки діаметром 18-22 мм від кулькового підшипника. Кулька слід відпалити, нагріваючи її до червоного гартування і повільно охолодивши. Після цього в кульці просвердлюють отвір діаметром 6 мм і нарізають внутрішнє різьблення. Для закріплення цієї кульки в патроні свердлильного верстата з лозини потрібно виготовити стрижень з різьбленням на одному кінці.

Рис.6. Пристосування

Стрижень з накрученою кулькою затискають у патрон верстата, включають верстат на середніх обертах і, вдавлюючи кульку в пластину органічного скла товщиною 10 - 12 мм, отримують необхідне сферичне заглиблення. Коли кулька заглибиться на відстань, що дорівнює її радіусу, свердлильний верстат вимикають і, не припиняючи натиску на кульку, охолоджують його водою. У результаті пластині органічного скла виходить сферичне поглиблення ультразвукової лінзи. З пластини з поглибленням вирізують ножівкою квадрат зі стороною 36 мм, вирівнюють дрібнозернистим наждачним папером кільцевий виступ, що утворився навколо поглиблення, і сточують знизу пластину так, щоб у центрі поглиблення залишилося дно товщиною 0,2 мм. Потім відшліфовують до прозорості подряпані наждачним папером місця і на верстаті токарному обрізають кути так, щоб сферичне заглиблення залишилося в центрі пластини. З нижньої сторони пластини необхідно зробити виступ заввишки 3 мм та діаметром 23,8 мм для центрування лінзи на кварцетримачі.

Рясно змочивши оцтовою есенцією або дихлоретаном один з торцевих кінців циліндра, приклеюють його на ультразвукову лінзу так, щоб центральна вісь циліндра збіглася з віссю, що проходить через центр лінзи. Після висихання в склеєній посудині просвердлюють три отвори для підстроювальних гвинтів. Обертати ці гвинти найкраще за допомогою спеціальної викрутки, виготовленої зі звичайного дроту довжиною 10-12 см і діаметром 1,5-2 мм і з ручкою з ізоляційного матеріалу. Після виготовлення зазначених деталей та монтажу генератора можна приступити до налагодження приладу, яке зазвичай зводиться до налаштування контуру L1C2 у резонанс із власною частотою кварцу. Кварцову пластинку (рис.4) слід вимити з милом у проточній воді і висушити. Контактне кільце зверху зачищають до блиску. Акуратно накладають кварцову пластинку зверху контактного кільця і, крапнувши кілька крапель трансформаторного масла на краю пластинки, загвинчують кришку д, так, щоб вона притиснула кварцову пластинку. Для індикації ультразвукових коливань поглиблення а та г на кришці заповнюють трансформаторним маслом або гасом. Після включення живлення та хвилинного прогріву обертають ручку налаштування та домагаються резонансу між коливаннями генератора кварцової пластинки. На момент резонансу спостерігається максимальне спучування рідини, налитої в заглибленні на кришці. Після налаштування генератора можна розпочати демонстрацію дослідів.

Конструкція генератора.

Одна з найефективніших демонстрацій – це отримання фонтану рідини під дією ультразвукових коливань. Для того щоб отримати фонтан рідини, потрібно "лінзову" посудину розмістити поверх кварцетримача так, щоб між дном "лінзової" посудини та кварцовою пластиною не утворилося скупчення повітряних бульбашок. Потім слід налити в лінзову посудину звичайної питної води і за хвилину після включення генератора на поверхні води з'явиться ультразвуковий фонтан. Висоту фонтану можна змінювати за допомогою гвинтів підлаштування, попередньо підлаштувавши генератор за допомогою конденсатора С2. При правильному налаштуванні всієї системи можна отримати водяний фонтан заввишки 30-40 см (рис.7).

Рис.7. Ультразвуковий фонтан.

Одночасно з появою фонтану виникає водяний туман, що є результатом кавітаційного процесу, що супроводжується характерним шипінням. Якщо в "лінзову" посудину замість води налити трансформаторну олію, то фонтан по висоті помітно збільшується. Безперервне спостереження фонтану можна вести до тих пір, поки рівень рідини в "лінзовій" посудині не знизиться до 20 мм. Для тривалого спостереження фонтану слід захистити його скляною трубкою Б, по внутрішнім стінках якої рідина, що фонтанує, зможе стікати назад.

При впливі ультразвукових коливань на рідину в ній утворюються мікроскопічні бульбашки (явище кавітації), що супроводжується значним підвищенням тиску в місці утворення бульбашок. Це призводить до руйнування частинок речовини чи живих організмів, що у рідини. Якщо "в лінзову" посудину з водою помістити маленьку рибку або дафній, то через 1-2 хвилини опромінення ультразвуком вони загинуть. Проекція "лінзового" судини з водою на екран дає можливість спостерігати послідовно всі процеси цього досвіду у великій аудиторії (рис.8).

Рис.8. Біологічна дія ультразвукових коливань.

За допомогою пристрою можна демонструвати застосування ультразвуку для очищення дрібних деталей від забруднення. Для цього в основу фонтану рідини поміщають невелику деталь (шестерню від годинника, шматочок металу і т.п.), рясно змащену солідолом. Фонтан значно зменшиться і може зовсім припинитися, але забруднена деталь поступово очищається. Слід зауважити, що очищення деталей ультразвуком вимагає застосування потужніших генераторів, тому очистити всю забруднену деталь за короткий відрізок часу не можна і потрібно обмежитися лише очищенням кількох зубів.

Використовуючи кавітаційне явище, можна отримати масляну емульсію. Для цього в "лінзову" посудину наливається вода і зверху додається трохи трансформаторної олії. Щоб уникнути розбризкування емульсії, потрібно лінзову посудину зі вмістом накрити склом. При включенні генератора утворюється фонтан води та олії. Через 1-2 хв. опромінення у лінзовій посудині утворюється стійка емульсія молочного кольору.

Відомо, що поширення ультразвукових коливань у воді можна зробити видимим і продемонструвати деякі властивості ультразвуку. Для цього необхідна ванна з прозорим і рівним дном і по можливості великих розмірів з висотою бортів не менше 5-6 см. Ванна розміщується над отвором в демонстраційному столі, так щоб можна було висвітлити все прозоре дно знизу. Для освітлення добре використовувати шестивольтову автомобільну електричну лампочку як точкове джерело світла для проекції досліджуваних процесів на стелю аудиторії (рис.9).

Рис.9. Заломлення та відображення ультразвукових хвиль.

Можна використовувати й звичайну лампочку освітлення невеликої потужності. У ванну наливають воду так, щоб кварцова пластинка в кварцотримачі при вертикальному розміщенні занурювалася в неї повністю. Після цього можна включати генератор і, переводячи кварцетримач із вертикального положення в похило, спостерігати поширення ультразвукового променя в проекції на стелі аудиторії. Кварцетримач при цьому можна тримати за підведені до нього дроти л і ц або попередньо закріпити в спеціальний тримач, за допомогою якого можна плавно змінювати відповідно кути падіння ультразвукового променя у вертикальній та горизонтальній площинах. Ультразвуковий промінь спостерігається у вигляді світлих плям, розташованих уздовж поширення ультразвукових коливань у воді. Розміщуючи на шляху розповсюдження ультразвукового променя якусь перешкоду, можна спостерігати відображення та заломлення променя.

Описувана установка дозволяє проводити й інші досліди, характер яких залежить від програми та обладнання навчального кабінету, що вивчається. Як навантаження генератора можна включати пластинки з титанату барію і взагалі будь-які пластинки, що мають п'єзоефект на частотах від 0,5 МГц до 4,5 МГц. За наявності пластин на інші частоти потрібно змінити кількість витків у котушках індуктивності (збільшувати частот нижче 0,5 МГц і зменшувати частот вище 4,5 МГц). При переробці коливального контуру та котушки зворотного зв'язку на частоти 15 кГц можна включати замість кварцу будь-який магнітострикційний перетворювач потужністю не більше 60 ВА

Автор: В. Краснюк; Публікація: Н. Большаков, rf.atnn.ru

Дивіться інші статті розділу Електроніка у побуті.

Читайте та пишіть корисні коментарі до цієї статті.

<< Назад

Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:

Пастка для комах 01.05.2024

Сільське господарство - одна з ключових галузей економіки, і боротьба зі шкідниками є невід'ємною частиною цього процесу. Команда вчених з Індійської ради сільськогосподарських досліджень – Центрального науково-дослідного інституту картоплі (ICAR-CPRI) у Шимлі представила інноваційне вирішення цієї проблеми – повітряну пастку для комах, яка працює від вітру. Цей пристрій адресує недоліки традиційних методів боротьби зі шкідниками, надаючи дані про популяцію комах у реальному часі. Пастка повністю працює за рахунок енергії вітру, що робить її екологічно чистим рішенням, яке не вимагає електроживлення. Її унікальна конструкція дозволяє відстежувати як шкідливі, так і корисні комахи, забезпечуючи повний огляд популяції в будь-якій сільськогосподарській зоні. "Оцінюючи цільових шкідників у потрібний час, ми можемо вживати необхідних заходів для контролю як комах-шкідників, так і хвороб", - зазначає Капіл. ...>>

Загроза космічного сміття для магнітного поля Землі 01.05.2024

Все частіше ми чуємо про збільшення кількості космічного сміття, що оточує нашу планету. Однак не тільки активні супутники та космічні апарати сприяють цій проблемі, а й уламки старих місій. Зростання кількості супутників, які запускає компанії, як SpaceX, створює не тільки можливості для розвитку інтернету, але й серйозні загрози для космічної безпеки. Експерти тепер звертають увагу на потенційні наслідки для магнітного поля Землі. Доктор Джонатан Макдауелл з Гарвард-Смітсонівського центру астрофізики підкреслює, що компанії стрімко розвертають супутникові констеляції, і кількість супутників може зрости до 100 000 наступного десятиліття. Швидкий розвиток цих космічних армад супутників може призвести до забруднення плазмового середовища Землі небезпечними уламками та загрози стійкості магнітосфери. Металеві уламки від використаних ракет можуть порушити іоносферу та магнітосферу. Обидві ці системи відіграють ключову роль у захисті атмосфери і підтримують ...>>

Застигання сипких речовин 30.04.2024

У світі науки існує досить загадок, і однією з них є дивна поведінка сипких матеріалів. Вони можуть поводитися як тверде тіло, але раптово перетворюватися на текучу рідину. Цей феномен став об'єктом уваги багатьох дослідників, і, можливо, нарешті ми наближаємося до розгадки цієї загадки. Уявіть собі пісок у пісочному годиннику. Зазвичай він тече вільно, але в деяких випадках його частинки починають застрягати, перетворюючись з рідкого стану на тверде. Цей перехід має важливе значення для багатьох областей, починаючи від виробництва ліків та закінчуючи будівництвом. Дослідники зі США спробували описати цей феномен і наблизитися до його розуміння. У ході дослідження вчені провели моделювання в лабораторії, використовуючи дані про пакети полістиролових кульок. Вони виявили, що вібрації усередині цих комплектів мають певні частоти, що означає, що через матеріал можуть поширюватись лише певні типи вібрацій. Отримані ...>>

Випадкова новина з Архіву Гербіциди у капсулах 08.12.2021 Інноваційна система доставки гербіцидів може зробити революцію у сільському господарстві та у системі захисту рослин від бур'янів. Застосування заповнених гербіцидами капсул є безпечнішим, і таким же ефективним, як традиційний спосіб. За словами професора Амелії Лімбонган Університету Квінсленду, метод був дуже ефективний проти широкого спектру видів бур'янів, які становлять серйозну загрозу для сільського господарства. "Цей метод боротьби з бур'янами практичніший, і більш зручний, ніж інші методи, і ми вже бачили, як кілька господарств запровадили цей підхід. Зручність системи у поєднанні з її доведеною ефективністю та безпекою означає, що інкапсульований гербіцид можна використовувати в різних умовах по всьому Даний метод використовує на 30% менше гербіцидів для знищення бур'янів і настільки ж ефективний, як і більш трудомісткі підходи, що дозволить заощадити час і гроші для фермерів та лісівників", - сказала Амелія Лімбонган. Гербіциди в капсулах можуть покращити боротьбу з бур'янами у сільськогосподарських та екологічних системах по всьому світу, а також захистити працівників, практично виключивши на них вплив шкідливих гербіцидів. Професор Віктор Галеа зазначив, що в процесі обробки за допомогою гербіцидів у капсулах використовувався механічний аплікатор під назвою InJecta, який швидко просвердлив отвір у стеблі дерев'яного бур'яну, імплантував розчинну капсулу, що містить сухий гербіцид, і запечатав капсулу дерев'яних проб. . Потім гербіцид розчиняється в рослинному соку і вбиває бур'ян зсередини і завдяки невеликій кількості діючої речовини, що використовується в кожній капсулі, не викликає проникнення агрохімікату в навколишнє середовище. "Ще одна причина, через яку ця система доставки настільки корисна, полягає в тому, що вона захищає інші рослини, які часто ушкоджуються внаслідок випадкового контакту під час обприскування гербіцилами", - пояснює Віктор Галеа. Дослідники продовжують випробовувати капсульний метод на кількох різних видах бур'янів і мають низку аналогічних продуктів у черзі на поширення, які допоможуть фермерам інвазивні бур'яни.

Інші цікаві новини:

▪ Планшет Asus ZenPad 3 8.0 з дисплеєм роздільною здатністю 2K

▪ Розумний газовий лічильник

▪ Синаптичний транзистор, що імітує людський мозок

▪ 3D-принтер Ricoh AM S5500P

▪ Накладні нігті світяться із викликом мобільного телефону

Стрічка новин науки та техніки, новинок електроніки

Цікаві матеріали Безкоштовної технічної бібліотеки:

▪ розділ сайту Будинок, присадибне господарство, хобі. Добірка статей

▪ стаття Державна політика захисту довкілля. Основи безпечної життєдіяльності

▪ стаття Біля чого в день відкриття Діснейленду робітники поставили таблички з написами латиною? Детальна відповідь

▪ стаття Вовчі ягоди. Легенди, вирощування, способи застосування

▪ стаття Електронні аксесуари для мікроконтролера для гри STALKER. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

▪ стаття Загадкова хустка. Секрет фокусу

Залишіть свій коментар до цієї статті:

All languages ​​of this page

Arabic	Hebrew	Polish
Bengali	Hindi	Portuguese
Chinese	Italian	Spanish
English	Japanese	Turkish
French	Korean	Ukrainian
German	Malay	Vietnamese

Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт

www.diagram.com.ua
2000-2024