Ultrazvukový žiarič. Lekárska fyzika Yagma. Modely s nízkou impedanciou

Ultrazvuk sú pre človeka nepočuteľné elastické akustické vlny, ktorých frekvencia presahuje 20 kHz. Je zvykom rozlišovať medzi nízkofrekvenčnými (20 ... 100 kHz), strednou frekvenciou (0,1 ... 10 MHz) a vysokofrekvenčnými (viac ako 10 MHz) ultrazvukovými vibráciami. Napriek kil megahertzom by sa ultrazvukové vlny nemali zamieňať s rádiovými vlnami a rádiovými frekvenciami. To sú úplne iné veci!

Svojou fyzikálnou podstatou sa ultrazvuk nelíši od bežného počuteľného zvuku. Frekvenčná hranica medzi zvukom a ultrazvukovým vlnením je podmienená, je určená subjektívnymi vlastnosťami ľudského sluchu. Pre porovnanie, vysokofrekvenčné vibrácie zvieratá (vrátane domácich zvierat) dobre cítia a pre netopiere a delfíny sú životne dôležité.

Ultrazvuk sa vďaka svojej krátkej vlnovej dĺžke dobre šíri v kvapalinách a pevných látkach. Napríklad ultrazvukové vlny vo vode zoslabujú asi 1000-krát menej ako vo vzduchu. Nasledujú hlavné oblasti ich použitia: sonar, nedeštruktívne testovanie produktov, "zvukové zobrazovanie", molekulárna a kvantová akustika.

Na generovanie ultrazvukových vibrácií sa používajú nasledujúce typy prevodníkov (angl. "Ultrasonic transducer"):

Piezokeramika (piezo);

Elektrostatické (elektrostatické);

Elektromagnetické

Dokonca aj bežné vysokofrekvenčné reproduktory (v slangu "výškové reproduktory"), ktoré majú dostatočnú účinnosť na generovanie signálov v blízkom ultrazvukovom rozsahu 20 ... 40 kHz, sú vhodné pre druhú možnosť.

Piezokeramické ultrazvukové meniče (tabuľka 2.10) sa vyrábajú spravidla v páre s frekvenčne prispôsobenými piezo prijímačmi. Typické parametre "ultrazvukového tandemu": rezonančná frekvencia 37 ... 45 kHz, hladina akustického tlaku vo vzdialenosti 30 cm - 95 ... 105 dB (A), prevádzkové napätie 12 ... 60 V, kapacita 1000 .. 3000 pF, výstupná impedancia vysielača 200 ... 500 Ohm, vstupná impedancia prijímača je 10 ... 30 kOhm.

Tabuľka 2.10. Parametre ultrazvukových žiaričov

Na platne ultrazvukových piezožiaričov sa odporúča aplikovať nie unipolárne, ale multipolárne impulzy, t.j. v pauzách vytvorte napätie s obrátenou polaritou. To prispieva k zrýchlenému vybíjaniu ekvivalentnej kapacity žiariča a zvýšeniu rýchlosti odozvy.

Na obr. 2.53, a… l sú schémy zapojenia ultrazvukových žiaričov k MK. Na vytváranie bipolárnych impulzov sa široko používajú tranzistorové mostíky a izolačné transformátory. Ak znížite frekvenciu generovania, tak vyššie uvedené obvody budú pasovať "jedna k jednej" pre počuteľný rozsah, tzn. pre predtým uvažované zvukové piezokeramické žiariče.

Ryža. 2.53. Schémy zapojenia pre pripojenie ultrazvukových žiaričov k MK (začiatok):

a) vyhladenie tvaru vlny dodávaného do ultrazvukového žiariča BQ1 pomocou induktora L1. Rezistor R1 reguluje amplitúdu;

b) tranzistory VT1, VT2 sa striedavo otvárajú krátkymi impulzmi z MK. Pre spoľahlivosť by sa mali zvoliť tranzistory s veľkým prípustným kolektorovým prúdom tak, aby nezlyhali s nízkym ohmickým odporom tlmivky L1 \

c) kondenzátor C1 diferencuje signál a odstraňuje jednosmernú zložku, čo umožňuje pripojenie ultrazvukového piezoelektrického žiariča BQ1 k bipolárnemu zdroju napájania;

d) ultrazvukový transceiver s nízkym výkonom. Delič R1, R2 určuje pracovný bod ADC MK pri príjme signálu a amplitúdu výstupných impulzov pri vysielaní signálu;

e) vysielač a prijímač ultrazvukového diaľkomeru. Frekvencia impulzov je 36 ... 465 kHz, napätie na vysielači BQ1 je 50 ... 100 V (maximum je zvolené kondenzátorom C3). Diódy VD1, VD2 obmedzujú signál do prijímača. Transformátor 77 obsahuje vo vinutiach I, II 15 závitov drôtu PEV-0,3, vo vinutí III - 100 ... 200 závitov PEV-0,08 (krúžok M2000HM K10x6x5); O

O Obr. 2.53. Schémy zapojenia pre pripojenie ultrazvukových žiaričov k MK (pokračovanie):

f) použitie logického čipu DD1 hardvéru eliminuje súčasné otváranie tranzistorov jedného ramena. Impulzný šum vznikajúci v napájacom obvode v dôsledku nesúčasného spínania meničov DD1.l… DD13 a rozptyl I – V charakteristík tranzistorov sú eliminované filtrom L /, C1. Diódy VD1 ... VD4 sa stávajú v prípade výmeny zvukového HF reproduktora BA1 (10GD-35, 6GD-13, 6GDV-4) za výkonnejší ultrazvukový piezoelektrický žiarič;

g) zvýšenie výkonu žiariča BQ1 pomocou zdvojovača napätia na mikroobvode DD1 a zvýšeného napájania + 9 ... + 12 V. Tranzistor VT1 zodpovedá logickým úrovniam;

h) dôjde k zvýšeniu amplitúdy napätia na emitore BQJ v dôsledku zvýšeného napájacieho napätia +9 V a akumulácie energie v tlmivke L1 \

i) tranzistory s efektom poľa K77, VT2 (náhrada IRF7831) znižujú straty energie pri spínaní. Rezistory R1, R2 neumožňujú otvorenie tranzistorov pri reštarte MK; O

O Obr. 2.53. Schémy zapojenia pre pripojenie ultrazvukových žiaričov na MK (koniec):

j) ultrazvukový sonar pracuje na frekvencii 40 kHz a generuje impulzy s trvaním 0,4 ms. Amplitúda signálu na piezoelektrickom žiariči BQ1 (Murata) dosahuje 160 V. Indukčnosť sekundárneho vinutia transformátora T1 tvorí spolu s kapacitou piezoelektrického žiariča BQ1 oscilačný obvod naladený na frekvenciu blízku 40 kHz. Indukčnosť primárneho vinutia transformátora T1 - 7,1 MK H, sekundárneho - 146 MK H, faktor kvality Q> 80;

k) ultrazvukový hydroionizér pracuje na frekvencii 1,8 ... 2 MHz. Transformátor T1 je navinutý na troch jadrách 50BH K20x 10 × 5. Vinutia I a II obsahujú 4 závity drôtu PEV-0,3 zloženého na tri, vinutie III - 12 závitov drôtu PEV-0,3. Cievka L1 obsahuje 5 závitov drôtu PEV-0,8 na tŕni s priemerom 8 mm s rozstupom 1 mm. Emitor BQ1 má priemer 30 mm (PZT piezokeramický). Rezistor R1 znižuje napäťové rázy na odtoku VT1.

Lekárska fakulta

Kurz 1

1 semester

1 prúd

Prednáška číslo 5

"ultrazvuk"

Zostavil: Babenko N.I.

2010 r.

Ultrazvuk a jeho príjem. Ultrazvukové žiariče.

Ultrazvuk sú mechanické vibrácie s frekvenciou viac ako 20 000 Hz, ktoré sa šíria v elastických médiách vo forme pozdĺžnych vĺn. Zdroje ultrazvuku sú:

1. Prírodné:

2. Umelé:

akusticko-mechanické prevodníky;

elektroakustické meniče (piezoelektrické, magnetostrikčné).

Prirodzené zdroje ultrazvuku sú zdroje nevytvorené ľudskou rukou a nezávisle existujúce v prírode.

Živé pramene: kobylky, cvrčky, ryby, netopiere, delfíny. Neživé zdroje: vietor, zosuvy pôdy v horách, zemetrasenia.

Umelé zdroje ultrazvuku sa nazývajú akustické meniče, pretože premieňajú mechanickú alebo elektrickú energiu na energiu ultrazvukových vibrácií.

Akusticko-mechanické prevodníky sú prevodníky, v ktorých dochádza k ultrazvukovým vibráciám pri prerušení prietoku kvapaliny alebo plynu. Príklady: Galtonova píšťalka, ultrazvuková siréna.

Elektroakustické prevodníky sú prevodníky, v ktorých dochádza k ultrazvukovým vibráciám, keď na niektoré látky pôsobia striedavé elektrické alebo magnetické polia.

Piezoelektrické meniče (piezo - tlak) sú meniče, ktoré využívajú fenomén inverzného piezoelektrického javu na získanie ultrazvuku.

Piezo efekt môže byť priamy a inverzný.

Priamy piezoelektrický efekt spočíva vo výskyte nábojov na povrchu niektorých kryštálov (piezoelektriká) pri pôsobení mechanického namáhania (stlačenie, ťah, ohyb). Obr.

S priamym piezoelektrickým efektom:

množstvo náboja na povrchu je úmerné aplikovanému mechanickému namáhaniu;

znamienko náboja je určené smerom mechanického pôsobenia.

žiadne nárazové kompresné napätie

Inverzný piezoelektrický jav je jav zmeny veľkosti (deformácie) dielektrika, keď je umiestnené v striedavom elektrickom poli.

Látky s výraznými piezoelektrickými vlastnosťami sa nazývajú piezoelektriká alebo piezodielektriká: Rochellova soľ, titaničitan bárnatý, kremeň.

Magnetostrikčné prevodníky sú prevodníky, ktoré využívajú fenomén magnetostrikcie na generovanie ultrazvuku. Magnetostrikcia je jav zmeny tvaru (veľkosti) niektorých feromagnetických látok vplyvom striedavého magnetického poľa.

Tieto látky zahŕňajú:

Nikel a jeho zliatiny;

Kobalt a jeho zliatiny;

Ferity sú keramické zlúčeniny na báze oxidov železa, niklu, zinku.

Vo vnútri cievky je umiestnená látka vo forme tyče. Pri pripojení cievky na zdroj striedavého elektrického napätia ultrazvukovej frekvencie pôsobí elektrický prúd na tyč svojou magnetickou zložkou a spôsobuje jej deformáciu (predĺženie) pri frekvencii prúdu. Obr

Pri nočnom návrate z práce alebo pri potulkách tmavými uličkami hrozí pri včasnej návšteve lekára útok túlavých psov, ktorých uhryznutie je niekedy životu nebezpečné. Práve pre tieto prípady inteligentné ľudské mozgy vymysleli ultrazvukový odpudzovač.

Priemyselné repelenty majú pomerne zložitú schému a vyrábajú sa z pomerne vzácnych komponentov.

V tomto článku sa budeme zaoberať variantom takéhoto odpudzovača pomocou slávnej série časovačov 555. Časovač, ako viete, môže fungovať ako generátor pravouhlých impulzov, práve toto spojenie sa používa v obvode.

Generátor pracuje na frekvencii 20-22 kHz, ako viete, veľa zvierat "komunikuje" v ultrazvukovom rozsahu. Experimenty ukázali, že frekvencie 20-25 kHz vyvolávajú u psov umelý strach, vďaka ladiacemu regulátoru je možné generátor naladiť na frekvenciu 17-27 kHz.

Samotný obvod obsahuje iba 6 komponentov a nespôsobí žiadne ťažkosti. Pre presnejšie naladenie na požadovanú frekvenciu je vhodné použiť viacotáčkový regulátor.
Piezožiarič sa dá zobrať z kalkulačky alebo iných hudobných hračiek, použiť môžete aj akékoľvek HF hlavy s výkonom do 5 wattov, už to jednoducho nemá zmysel.

Zariadenie funguje efektívne vo vzdialenosti 3-5 metrov, pretože v obvode nie je žiadny ďalší výkonový zosilňovač.

Ako zdroj energie je vhodné použiť korunku, prípadne akýkoľvek iný zdroj s napätím 6 až 12 voltov.

Zoznam rádioelementov

Označenie	Typ	Denominácia	množstvo	Poznámka	Obchod	Môj zápisník
	Programovateľný časovač a oscilátor	NE555	1			Do poznámkového bloku
R1	Rezistor	2,2 kOhm	1			Do poznámkového bloku
R2	Rezistor	1 kΩ	1			Do poznámkového bloku
R3	Variabilný odpor	4,7 kOhm	1			Do poznámkového bloku
C1	Elektrolytický kondenzátor	10 μF	1			Do poznámkového bloku
C2	Kondenzátor	10 nF	1			Do poznámkového bloku
	Piezo žiarič		1

Ultrazvukový žiarič je generátor silných ultrazvukových vĺn. Ako vieme, človek ultrazvukovú frekvenciu nepočuje, ale telo ju cíti. Inými slovami, ultrazvuková frekvencia je vnímaná ľudským uchom, ale určitá časť mozgu zodpovedná za sluch nedokáže tieto zvukové vlny dešifrovať. Tí, ktorí sa zaoberajú konštrukciou audio systémov, by mali vedieť, že vysoká frekvencia je pre náš sluch veľmi nepríjemná, ale ak frekvenciu zvýšime na ešte vyššiu úroveň (ultrazvukový rozsah), zvuk zmizne, ale v skutočnosti je . Mozog sa neúspešne pokúsi dekódovať zvuk, čo má za následok bolesť hlavy, nevoľnosť, vracanie, závraty atď.

Ultrazvuková frekvencia sa už dlho používa v rôznych oblastiach vedy a techniky. Pomocou ultrazvuku možno kov zvárať, umývať a mnoho iného. Ultrazvuk sa aktívne používa na vystrašenie hlodavcov v poľnohospodárskej technike, pretože telo mnohých zvierat je prispôsobené na komunikáciu s vlastným druhom v rozsahu ultrazvuku. Existujú aj dôkazy o odpudzovaní hmyzu pomocou ultrazvukových generátorov, mnohé spoločnosti vyrábajú takéto elektronické odpudzovače. A odporúčame vám, aby ste takéto zariadenie zostavili nezávisle podľa nasledujúceho diagramu:

Zvážte dizajn pomerne jednoduchej vysokovýkonnej ultrazvukovej pištole. Mikroobvod D4049 funguje ako generátor ultrazvukového frekvenčného signálu, má 6 logických invertorov.

Mikroobvod je možné nahradiť domácim analógom K561LN2. Regulátor 22k je potrebný na nastavenie frekvencie, môže sa znížiť na počuteľný rozsah, ak sa odpor 100k nahradí za 22k a kondenzátor 1,5nF sa nahradí 2,2-3,3nF. Signály z mikroobvodu sú privádzané do výstupného stupňa, ktorý je postavený len na 4 stredne výkonných bipolárnych tranzistoroch. Výber tranzistorov nie je kritický, hlavnou vecou je vybrať komplementárne páry, ktoré sú parametrami čo najbližšie.

Ako žiarič môžete použiť doslova akékoľvek HF hlavy s výkonom od 5 wattov. Z domáceho interiéru možno použiť hlavice typu 5GDV-6, 10GDV-4, 10GDV-6. Takéto výškové reproduktory možno nájsť v akustických systémoch vyrobených v ZSSR.

Zostáva len zariadiť všetko v prípade. Pre smerovosť ultrazvukového signálu je potrebné použiť kovový reflektor.

Pred pár dňami som dostal ďalšiu objednávku. Kupujúci si chcel objednať silné ultrazvukové delo na boj s opitou mládežou, pre ktorú sa deň začína v noci, keď všetci normálni ľudia spia. Bez rozmýšľania som zvolil osvedčenú schému výkonného ultrazvukového žiariča. Samotná pištoľ je postavená len na jednom štandardnom logickom mikroobvode.

Doslova postačí akýkoľvek podobný mikroobvod obsahujúci 6 logických meničov. V našom prípade bol použitý mikroobvod CD4049 (HEF4049), ktorý je možné úspešne nahradiť domácim - K561LN2, len musíte venovať pozornosť pinoutu, pretože K561LN2 sa líši od toho, ktorý sa používa v niektorých záveroch.

Keďže obvod je pomerne jednoduchý, môže byť realizovaný na doštičke alebo kĺbovým spôsobom. Zosilňovač je zostavený na komplementárnych pároch KT816 / 817, vďaka použitiu týchto kľúčov je výkon našej pištole 10-12 wattov.

Ako žiarič je vhodné použiť vysokofrekvenčné hlavy typu 10 GDV alebo dovoz, nie je vhodné použiť piezožiarič.

Puzdro - z čínskeho elektronického transformátora 10-50 wattov sa muselo prerobiť, pretože doska sa nezmestil.

Za frekvenciu je zodpovedný kondenzátor 1,5 nF (ktorý bol potom nahradený 3,9 nF, pretože s kondenzátorom uvedeným v obvode je spodná hranica frekvencie presne 20 kHz a pri takejto výmene je možné frekvenciu upraviť v rozmedzí 10-30 kHz ) a premenlivý odpor (v dôsledku toho sa nastavenie vykoná otáčaním tohto odporu).

Základné odpory môžu byť nahradené odpormi 2,2 k ohm, ktoré sú bežnejšie ako tie, ktoré sú znázornené na obrázku. Tento žiarič je napájaný stabilizovaným 5V zdrojom s prúdom 1A (rozsah napájacieho napätia 3,7-9V).