Ультразвуковой излучатель. Ягма медицинская физика. Модели низкого волнового сопротивления

Ультразвук - это не слышимые человеком упругие акустические волны, частота которых превышает 20 кГц. Принято различать низкочастотные (20…100 кГц), среднечастотные (0.1… 10 МГц) и высокочастотные (более 10 МГц) ультразвуковые колебания. Несмотря на кил мегагерцы, ультразвуковые волны не следует путать с радиоволнами и радиочастотами. Это абсолютно разные вещи!

По своей физической природе ультразвук ничем не отличается от обычного слышимого звука. Частотная граница между звуковыми и ультразвуковыми волнами условна, она определяется субъективными свойствами человеческого слуха. Для справки, колебания высокой частоты хорошо чувствуют животные (в том числе и домашние), а для летучих мышей и дельфинов они являются жизненно важными.

Ультразвук, благодаря малой длине волны, хорошо распространяется в жидкостях и твёрдых телах. Например, ультразвуковые волны в воде затухают примерно в 1000 раз меньше, чем в воздухе. Отсюда следуют основные сферы их применения: гидролокация, неразрушающий контроль изделий, «звуковидение», молекулярная и квантовая акустика.

Для генерации ультразвуковых колебаний используют следующие виды излучателей (англ. «ultrasonic transducer»):

Пьезокерамические (piezo);

Электростатические (electrostatic);

Электромагнитные (electromagnetic).

Для последнего варианта годятся даже обычные высокочастотные звуковые громкоговорители (на сленге «пищалки»), которые имеют достаточный КПД для генерации сигналов в ближнем ультразвуковом диапазоне 20…40 кГц.

Пьезокерамические ультразвуковые излучатели (Табл. 2.10) выпускаются, как правило, в паре с согласованными по частоте пьезо приёмниками. Типовые параметры «ультразвукового тандема»: частота резонанса 37…45 кГц, уровень звукового давления на расстоянии 30 см - 95…105 дБ(А), рабочее напряжение 12…60 В, ёмкость 1000…3000 пФ, выходной импеданс передатчика 200…500 Ом, входной импеданс приёмника 10…30 кОм.

Таблица 2.10. Параметры ультразвуковых излучателей

На обкладки ультразвуковых пьезоизлучателей рекомендуется подавать не однополярные, а разнополярные импульсы, т.е. в паузах формировать напряжение обратной полярности. Это способствует ускоренному разряду эквивалентной ёмкости излучателя и повышению быстродействия.

На Рис. 2.53, а…л приведены схемы подключения ультразвуковых излучателей к MK. Для формирования разнополярных импульсов широко используются транзисторные мосты и разделительные трансформаторы. Если снизить частоту генерации, то приведенные схемы подойдут «один к одному» и для слышимого диапазона, т.е. для рассмотренных ранее звуковых пьезокерамических излучателей.

Рис. 2.53. Схемы подключения ультразвуковых излучателей к MK (начало):

а) сглаживание формы сигнала, подаваемого на ультразвуковой излучатель BQ1, с помощью катушки индуктивности L1. Резистором R1 регулируется амплитуда;

б) транзисторы VT1, VT2 попеременно открываются короткими импульсами от MK. Для надёжности следует выбирать транзисторы с большим допустимым коллекторным током, чтобы они не вышли из строя при низком омическом сопротивлении катушки индуктивности L1\

в) конденсатор C1 дифференцирует сигнал и устраняет постоянную составляющую, что позволяет подключить ультразвуковой пьезоизлучатель BQ1 к двухполярному источнику питания;

г) маломощный ультразвуковой приёмопередатчик. Делитель R1, R2 определяет рабочую точку АЦП MK при приёме сигнала и амплитуду выходных импульсов при передаче сигнала;

д) приёмопередатчик ультразвукового дальномера. Частота импульсов 36…465 кГц, напряжение на излучателе BQ1 50…100 В (максимум подбирается конденсатором C3). Диоды VD1, VD2 ограничивают сигнал для приёмника. Трансформатор 77 содержит в обмотках I, II по 15 витков провода ПЭВ-0.3, в обмотке III - 100…200 витков ПЭВ-0.08 (кольцо M2000HM K10x6x5); О

О Рис. 2.53. Схемы подключения ультразвуковых излучателей к MK (продолжение):

е) применение логической микросхемы DD1 аппаратно устраняет одновременное открывание транзисторов одного плеча. Импульсные помехи, возникающие в цепи питания из-за неодновременного переключения инверторов DD1.l…DD13 и разброса ВАХ транзисторов, устраняются фильтром L /, C1. Диоды VD1… VD4ставятся в случае замены звукового ВЧ-динамика BA1 (10ГД-35, 6ГД-13, 6ГДВ-4) более мощным ультразвуковым пьезоизлучателем;

ж) увеличение мощности излучателя BQ1 с помощью удвоителя напряжения на микросхеме DD1 и повышенного питания +9…+ 12 В. Транзистор VT1 согласует логические уровни;

з) увеличение амплитуды напряжения на излучателе BQJ происходит ввиду повышенного напряжения питания +9 В и накопления энергии в дросселе L1\

и) полевые транзисторы K77, VT2 (замена IRF7831) снижают потери энергии при коммутации. Резисторы R1, R2 не дают открываться транзисторам при рестарте MK; О

О Рис. 2.53. Схемы подключения ультразвуковых излучателей к MK (окончание):

к) ультразвуковой эхолокатор работает на частоте 40 кГц и генерирует импульсы длительностью 0.4 мс. Амплитуда сигнала на пьезоизлучателе BQ1 (фирма Murata) достигает 160 В. Индуктивность вторичной обмотки трансформатора T1 совместно с ёмкостью пьезоизлучателя BQ1 образует колебательный контур, настроенный на частоту, близкую к 40 кГц. Индуктивность первичной обмотки трансформатора T1 - 7.1 МК Гн, вторичной - 146 МК Гн, добротность Q > 80;

л) ультразвуковой гидроионизатор работает на частоте 1.8…2 МГц. Трансформатор T1 наматывается на трёх сердечниках 50BH K20x 10×5. Обмотки I и II содержат по 4 витка сложенного втрое провода ПЭВ-0.3, обмотка III - 12 витков провода ПЭВ-0.3. Катушка L1 содержит 5 витков провода ПЭВ-0.8 на оправке диаметром 8 мм с шагом 1 мм. Излучатель BQ1 имеет диаметр 30 мм (пьезокерамика ЦТС). Резистором R1 снижаются выбросы напряжения на стоке VT1.

Лечебный факультет

1 курс

1 семестр

1 поток

Лекция № 5

«Ультразвук»

Составил: Бабенко Н.И.

2010 г.

Ультразвук и его получение. Излучатели ультразвука.

Ультразвук - это механические колебания, частотой свыше 20 000 Гц, которые распространяются в упругих средах в виде продольных волн. Источники ультразвука бывают:

1. Естественные:

2. Искусственные:

акустикомеханические преобразователи;

электроакустические преобразователи (пьезоэлектрические, магнитострикционные).

Естественные источники ультразвука - это источники не созданные руками человека и самостоятельно существующие в природе.

Живые источники: кузнечики, сверчки, рыбы, летучие мыши, дельфины. Неживые источники: ветер, обвалы в горах, землетрясения.

Искусственные источники ультразвука называются акустическими преобразователями, т. к. они преобразуют механическую или электрическую энергию в энергию ультразвуковых колебаний.

Акустикомеханические преобразователи - это такие преобразователи, в которых ультразвуковые колебания возникают при прерывании потока жидкости или газа. Примеры: свисток Гальтона, ультразвуковая сирена.

Электроакустические преобразователи - это такие преобразователи, в которых ультразвуковые колебания возникают при действии на некоторые вещества переменных электрических или магнитных полей.

Пьезоэлектрические преобразователи (пьезо - давлю) - такие преобразователи, которые для получения ультразвука используют явление обратного пьезоэффекта.

Пьезоэффект бывает прямой и обратный.

Прямой пьезоэффект заключается в появлении на поверхности некоторых кристаллов (пьезодиэлектриков) зарядов под действием механического напряжения (сжатие, растяжение, изгиб). Рис.1.

При прямом пьезоэффекте:

величина заряда на поверхности пропорциональна приложенному механическому напряжению;

знак заряда определяется направлением механического воздействия.

нет воздействия сжатие растяжение

Обратный пьезоэффект - это явление изменения размеров (деформации) диэлектрика при его помещении в переменное электрическое поле.

Вещества с выраженными пьезоэлектрическими свойствами называются пьезоэлектриками или пьезодиэлектриками: сегнетова соль, титанат бария, кварц.

Магнитострикционные преобразователи - это такие преобразователи, которые для получения ультразвука используют явление магнитострикции. Магнитострикция - это явление изменения форм (размеров) некоторых ферромагнитных веществ под действием переменного магнитного поля.

К этим веществам относятся:

Никель и его сплавы;

Кобальт и его сплавы;

Ферриты - керамические соединения на основе оксидов железа, никеля, цинка.

Вещество в виде стержня помещают внутрь катушки. При подключении катушки к источнику переменного электрического напряжения ультразвуковой частоты, электрический ток воздействует на стержень своей магнитной составляющей и вызывает его деформацию (удлинение) с частотой тока. Рис.2

Возвращаясь с работы ночью или бродя по темным переулкам, есть опасность подвергнутся нападению бродячих собак, укусы которых иногда опасны для жизни, если вовремя не обратится к врачам. Именно для этих случаев умные человеческие мозги придумали ультразвуковой отпугиватель.

Промышленные отпугиватели имеют достаточно сложную схему и выполнены на достаточно дефицитных компонентах.

В этой статье мы рассмотрим вариант такого отпугивателя с использованием знаменитого таймера 555 серии. Таймер, как известно, может работать в качестве генератора прямоугольных импульсов, именно такое подключение использовано в схеме.

Генератор работает на частоте 20-22 кГц, как известно многие животные "общаются" на ультразвуковом диапазоне. Опыты показали, что частоты 20-25 кГц вызывают у собак искусственный страх, благодаря построечному регулятору, генератором можно настроить на частоту 17-27кГц.

Сама схема содержит всего 6 компонентов и не вызовет никаких затруднений. Регулятор желательно использовать многооборотный, для более точной настройки на нужную частоту.
Пьезоизлучатель можно взять от калькулятора или любых других музыкальных игрушек, можно также использовать любые ВЧ головки с мощностью до 5 ватт, больше попросту нет смысла.

Устройство эффективно действует на расстоянии 3-5 метров, поскольку в схеме нет дополнительного усилителя мощности.

В качестве источника питания, удобно использовать крону, или любой другой источник с напряжением от 6 до 12 вольт.

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Магазин	Мой блокнот
	Программируемый таймер и осциллятор	NE555	1			В блокнот
R1	Резистор	2.2 кОм	1			В блокнот
R2	Резистор	1 кОм	1			В блокнот
R3	Переменный резистор	4.7 кОм	1			В блокнот
C1	Электролитический конденсатор	10 мкФ	1			В блокнот
C2	Конденсатор	10 нФ	1			В блокнот
	Пьезоизлучатель		1

УЗ излучатель — это генератор мощных ультразвуковых волн. Как мы знаем, ультразвуковую частоту человек не слышит, но организм чувствует. Иными словами ультразвуковая частота воспринимается человеческим ухом, но определенный участок мозга, отвечающий за слух, не может расшифровать данные звуковые волны. Те, кто занимаются построением аудио систем должны знать, что высокая частота очень неприятна для нашего слуха, но если поднять частоту на еще высокий уровень (УЗ диапазон) то звук исчезнет, но на самом деле он есть. Мозг попытается безуспешно раскодировать звук, в следствии этого возникнет головная боль, тошнота, рвота, головокружение и т.п.

Ультразвуковая частота давно применяется в самых разных областях науки и техники. При помощи ультразвука можно сваривать металл, провести стирку и многое другое. Ультразвук активно применяется для отпугивания грызунов в сельскохозяйственной технике, поскольку организм многих животных приспособлен к общению с себе подобными на УЗ диапазоне. Есть данные и про отпугивание насекомых с помощью УЗИ генераторов, многие фирмы выпускают такие электронные репелленты. А мы предлагаем вам самостоятельно собрать такой прибор, по приведённой схеме:

Рассмотрим конструкцию достаточно простой УЗ пушки высокой мощности. Микросхема D4049 работает в качестве генератора сигналов ультразвуковой частоты, она имеет 6 логических инверторов.

Микросхему можно заменить на отечественный аналог К561ЛН2. Регулятор 22к нужен для подстройки частоты, ее можно снижать до слышимого диапазона, если резистор 100к заменить на 22к, а конденсатор 1,5нФ заменить на 2,2-3,3нФ. Сигналы с микросхемы подаются на выходной каскад, который построен всего на 4-х биполярных транзисторах средней мощности. Выбор транзисторов не критичен, главное подобрать максимально близкие по параметрам комплементарные пары.

В качестве излучателя можно использовать буквально любые ВЧ головки с мощностью от 5 ватт. Из отечественного интерьера можно использовать головки типа 5ГДВ-6, 10ГДВ-4, 10ГДВ-6. Такие ВЧ головки можно найти в акустических системах производства СССР.

Осталось только оформить все в корпус. Для направленности УЗ сигнала нужно использовать металлический рефлектор.

Несколько дней назад поступил очередной заказ. Покупатель хотел заказать мощную ультразвуковую пушку для борьбы с пьяной молодежью, для которых день начинается ночью, когда все нормальные люди спят. Недолго думая выбрал проверенную схему мощного ультразвукового излучателя. Сама пушка построена всего на одной микросхеме стандартной логике.

Подойдут буквально любые аналогичные микросхемы, содержащие 6 логических инверторов. В нашем случае применена микросхема CD4049 (HEF4049), которая успешно может быть заменена на отечественную - К561ЛН2, только нужно обратить внимание на цоколевку, поскольку К561ЛН2 отличается от использованной некоторыми выводами.

Поскольку схема достаточно простая, то может быть реализована на макетной плате или навесным образом. Усилитель собран на комплементарных парах КТ816/817, за счет применения этих ключей, мощность нашей пушки составляет 10-12 Ватт.

В качестве излучателя желательно использовать высокочастотные головки типа 10 ГДВ или импорт, не советуется использовать пьезоизлучатель.

Корпус - от китайского электронного трансформатора 10-50 ватт, пришлось переделывать, поскольку плата не вместилась.

За частоту отвечает конденсатор 1,5нФ (который потом заменил на 3,9 нФ, поскольку с указанным в схеме конденсатором нижняя грань частот ровна 20кГц, а с такой заменой частоту можно настроить в пределах 10-30кГц) и переменный резистор (в итоге, настройку делают вращением этого резистора).

Базовые резисторы можно заменить на 2.2кОм, которые являются более распространенными, чем те, которые указаны в схеме. Питается такой излучатель от стабилизированного блока питания на 5 Вольт с током 1 А (диапазон питающих напряжений 3,7-9 Вольт).