Демонстрационная ультразвуковая установка
В. Краснюк
В статье описывается конструкция простейшей ультразвуковой установки, предназначенной для демонстрации опытов с ультразвуком. Установка состоит из генератора ультразвуковых колебаний, излучателя, фокусирующего устройства и нескольких вспомогательных устройств, позволяющих демонстрировать различные опыты, которые поясняют свойства и способы применения ультразвуковых колебаний.
С помощью простейшей ультразвуковой установки можно показать распространение ультразвука в различных средах, отражение и преломление ультразвука на границе двух сред, поглощение ультразвука в различных веществах. Кроме этого имеется возможность показать получение масляных эмульсий, очистку загрязненных деталей, ультразвуковую сварку, ультразвуковой жидкостный фонтан, биологическое воздействие ультразвуковых колебаний.
Изготовление подобной установки может быть осуществлено в школьных мастерских силами учащихся старших классов.
Установка для демонстрации опытов с ультразвуком состоит из электронного генератора (рис.1), кварцевого преобразователя электрических колебаний в ультразвуковые и линзового сосуда (рис.2) для фокусировки ультразвука. В блок питания входит только силовой трансформатор Тр1, так как анодные цепи ламп генератора питаются непосредственно переменным током (без выпрямителя). Такое упрощение не сказывается отрицательно на работе прибора и в то же время заметно упрощает его схему и конструкцию.
Электронный генератор выполнен по двухтактной схеме на двух лампах 6ПЗС, включенных по триодной схеме (экранные сетки ламп соединены с анодами). В анодные цепи ламп включен контур L1C2, определяющий частоту генерируемых колебаний, а в сеточные цепи - катушка обратной связи L2. В катодные цепи включено небольшое сопротивление R1, в значительной степени определяющее режим ламп.
Puc.1. Принципиальная схема генератора
Высокочастотный сигнал подается на кварцевый резонатор через разделительные конденсаторы С4 и С5. Кварц размещается в герметическом кварцедержателе (рис. 2) и соединяется с генератором проводами длиной 1 м.
Puc. 2. Линзовый сосуд и кварцедержатель
Кроме рассмотренных деталей, в схеме имеются еще конденсаторы C1 и С3 а также дроссель Др1 через который на аноды ламп подается анодное напряжение. Этот дроссель предотвращает короткое замыкание высокочастотного сигнала через конденсатор C1, и междувитковую емкость силового трансформатора.
Основными самодельными деталями генератора являются катушки L1 и L2, выполненные в виде плоских спиралей. Для их изготовления необходимо выпилить деревянный шаблон. Из доски шириной 25 см выпиливаются два квадрата, которые служат щечками шаблона. В центре каждой щечки следует сделать отверстия для металлического стержня диаметром 10-15 мм, а в одной из щечек вырезать отверстие или канавку шириной 3 мм для крепления вывода катушки. На металлическом стержне с обоих концов нарезают резьбу и между двумя гайками размещают щечки на расстоянии, равном диаметру наматываемой проволоки. На этом изготовление шаблона можно считать законченным и приступить к намотке катушек.
Металлический стержень одним концом зажимают в тисках, между щечками укладывают первый (внутренний) виток провода, после чего стягивают гайки и продолжают намотку. Катушка L1 имеет 16 витков, а катушка L2-12 витков медного провода диаметром 3 мм. Катушки L1 и L2 изготавливаются отдельно, затем размещаются одна над другой на крестовине из текстолита или пластмассы (рис. 3). Для того, чтобы придать катушкам большую прочность в крестовинах ножовкой или напильником выпиливаются углубления. Для закрепления катушек одну из них сверху следует прижать второй крестовиной (без углублений), а вторую положить прямо на пластину из органического стекла, гетинакса или пластмассы.укрепленную на металлическом шасси генератора.
Рис. 3
Дроссель высокой частоты наматывается на керамическом или пластмассовом каркасе диаметром 30 мм проводом марки ПЭЛШО-0,25 мм. Намотка ведется внавал секциями по 100 витков в каждой. Всего дроссель имеет 300-500 витков. В данной конструкции применен самодельный силовой трансформатор, выполненный на сердечнике из пластин Ш-33, толщина набора 33 мм. Сетевая обмотка содержит 544 витка провода ПЭЛ-0,45. Сетевая обмотка рассчитана на включение в сеть с напряжением 127 B. В случае использования сети с напряжением 220 в обмотка I должна содержать 944 витка провода ПЭЛ-0,35. Повышающая обмотка имеет 2980 витков провода ПЭЛ-0,14 и накальная обмотка ламп - 30 витков провода ПЭЛ-1,0. Такой трансформатор можно заменить силовым трансформатором марки ЭЛС-2, используя только сетевую обмотку, накальную обмотку ламп и повышающую обмотку полностью, или же любым силовым трансформатором мощностью не менее 70 BA и с повышающей обмоткой, обеспечивающей при нагрузке 470 B на анодах ламп 6ПЗС.
Кварцедержатель изготавливается из бронзы по чертежу, помещенному на рис. 4. В корпусе с помощью сверла диаметром 3 мм просверливается Г-образное отверстие для вывода провода л, В корпус вставлено резиновое кольцо е, которое служит для амортизации и изоляции кварца. Кольцо можно вырезать из обычной резинки для стирания карандаша. Контактное кольцо б вырезается из латунной фольги толщиной 0,2 мм. Это кольцо имеет лепесток м для припаивания провода. Оба провода л и и должны иметь хорошую изоляцию. Провод и припаивается к опорному флянцу О. Не рекомендуется скручивать провода между собой.
Puc.4. Кварцедержатель
Линзовый сосуд состоит из цилиндра е и ультразвуковой линзы б (рис.5). Цилиндр выгибают из пластинки органического стекла толщиной 3 мм на круглом деревянном шаблоне диаметром 19 мм.
Рис.5. Линзовый сосуд
Пластину нагревают над пламенем до размягчения, изгибают по шаблону и склеивают уксусной эссенцией. Склеенный цилиндр связывают нитками и оставляют до высыхания на два часа. После этого наждачной бумагой выравнивают торцевые концы цилиндра и снимают нитки. Для изготовления ультразвуковой линзы б нужно сделать специальное приспособление (рис. 6) из стального шарика диаметром 18-22 мм от шарикового подшипника. Шарик следует отжечь, нагрев его до красного каления и медленно охладив. После этого в шарике просверливают отверстие диаметром 6 мм и нарезают внутреннюю резьбу. Для закрепления этого шарика в патроне сверлильного станка из прута нужно изготовить стержень с резьбой на одном конце.
Рис.6. Приспособление
Стержень с навинченным шариком зажимают в патрон станка, включают станок на средних оборотах и, вдавливая шарик в пластину органического стекла толщиной 10 - 12 мм, получают необходимое сферическое углубление. Когда шарик углубится на расстояние, равное его радиусу, сверлильный станок выключают и, не прекращая нажима на шарик, охлаждают его водой. В результате в пластине органического стекла получается сферическое углубление ультразвуковой линзы. Из пластины с углублением вырезают ножовкой квадрат со стороной 36 мм, выравнивают мелкозернистой наждачной бумагой образовавшийся вокруг углубления кольцевой выступ и стачивают снизу пластину так, чтобы в центре углубления осталось дно толщиной 0,2 мм. Затем отшлифовывают до прозрачности поцарапанные наждачной бумагой места и на токарном станке обрезают углы так, чтобы сферическое углубление осталось в центре пластины. С нижней стороны пластины необходимо сделать выступ высотой 3 мм и диаметром 23,8 мм для центровки линзы на кварцедержателе.
Обильно смочив уксусной эссенцией или дихлорэтаном один из торцовых концов цилиндра, приклеивают его на ультразвуковую линзу так, чтобы центральная ось цилиндра совпала с осью, проходящей через центр линзы. После высыхания в склееном сосуде просверливают три отверстия для подстроечных винтов. Вращать эти винты лучше всего с помощью специальной отвертки, изготовленной из обычной проволоки длиной 10-12 см и диаметром 1,5-2 мм и снабженной ручкой из изоляционного материала. После изготовления указанных деталей и монтажа генератора можно приступить к налаживанию прибора, которое обычно сводится к настройке контура L1C2 в резонанс с собственной частотой кварца. Кварцевую пластинку в (рис.4) следует вымыть с мылом в проточной воде и высушить. Контактное кольцо б сверху зачищают до блеска. Аккуратно накладывают кварцевую пластинку сверху контактного кольца и, капнув несколько капель трансформаторного масла на края пластинки, завинчивают крышку д, так, чтобы она прижала кварцевую пластинку. Для индикации ультразвуковых колебаний углубления а и г на крышке заполняют трансформаторным маслом или керосином. После включения питания и минутного прогрева вращают ручку настройки и добиваются резонанса между колебаниями генератора кварцевой пластинки. В момент резонанса наблюдается максимальное вспучивание жидкости, налитой в углублении на крышке. После настройки генератора можно приступить к демонстрации опытов.
Конструкция генератора.
Одна из наиболее эффективных демонстраций - это получение фонтана жидкости под действием ультразвуковых колебаний. Для того чтобы получить фонтан жидкости, нужно «линзовый» сосуд разместить поверх кварцедержателя так, чтобы между дном «линзового» сосуда и кварцевой пластиной не образовалось скопления воздушных пузырьков. Затем следует налить в линзовый сосуд обычной питьевой воды и через минуту после включения генератора на поверхности воды появится ультразвуковой фонтан. Высоту фонтана можно изменять с помощью подстроечных винтов, предварительно подстроив генератор с помощью конденсатора С2. При правильной настройке всей системы можно получить водяной фонтан высотой 30-40 см (рис.7).
Рис.7. Ультразвуковой фонтан.
Одновременно с появлением фонтана возникает водяной туман, являющийся результатом кавитационного процесса, сопровождающегося характерным шипением. Если в «линзовый» сосуд вместо воды налить трансформаторного масла, то фонтан по высоте заметно увеличивается. Непрерывное наблюдение фонтана можно вести до тех пор, пока уровень жидкости в «линзовом» сосуде не снизится до 20 мм. Для длительного наблюдения фонтана следует оградить его стеклянной трубкой Б, по внутренним стенкам которой фонтанирующая жидкость сможет стекать обратно.
При воздействии ультразвуковых колебаний на жидкость в ней образуются микроскопические пузырьки (явление кавитации), что сопровождается значительным повышением давления в месте образования пузырьков. Это явление приводит к разрушению частиц вещества или живых организмов, находящихся в жидкости. Если «в линзовый» сосуд с водой поместить маленькую рыбку или же дафний, то через 1-2 минуты облучения ультразвуком они погибнут. Проекция «линзового» сосуда с водой на экран дает возможность наблюдать последовательно все процессы этого опыта в большой аудитории (рис.8).
Рис.8. Биологическое действие ультразвуковых колебаний.
С помощью описываемого устройства можно демонстрировать применение ультразвука для очистки мелких деталей от загрязнения. Для этого в основание фонтана жидкости, помещают небольшую деталь (шестеренку от часов, кусочек металла и т.п.), обильно смазанную солидолом. Фонтан значительно уменьшится и может прекратиться вовсе, но загрязненная деталь постепенно очищается. Следует заметить, что очистка деталей ультразвуком требует применения более мощных генераторов, поэтому очистить всю загрязненную деталь за короткий отрезок времени нельзя и нужно ограничиться только очисткой нескольких зубьев.
Используя кавитационное явление, можно получить масляную эмульсию. Для этого в «линзовый» сосуд наливается вода и сверху добавляется немного трансформаторного масла. Чтобы избежать разбрызгивания эмульсии, нужно линзовый сосуд с содержимым накрыть стеклом. При включении генератора образуется фонтан воды и масла. Через 1-2 мин. облучения в линзовом сосуде образуется устойчивая эмульсия молочного цвета.
Известно, что распространение ультразвуковых колебаний в воде можно сделать видимым и наглядно продемонстрировать некоторые свойства ультразвука. Для этого необходима ванна с прозрачным и ровным дном и по возможности больших размеров, с высотой бортов не менее 5-6 см. Ванна размещается над отверстием в демонстрационном столе, так чтобы можно было осветить все прозрачное дно снизу. Для освещения хорошо использовать шестивольтовую автомобильную электрическую лампочку в качестве точечного источника света для проекции исследуемых процессов на потолок аудитории (рис.9).
Рис.9. Преломление и отражение ультразвуковых волн.
Можно применять и обычную лампочку освещения небольшой мощности. В ванну наливают воду так, чтобы кварцевая пластинка в кварцедержателе при вертикальном размещении погружалась в нее полностью. После этого можно включать генератор и, переводя кварцедержатель из вертикального положения в наклонное, наблюдать распространение ультразвукового луча в проекции на потолке аудитории. Кварцедержатель при этом можно держать за подведенные к нему провода л и ц или же предварительно закрепить в специальный держатель, с помощью которого можно плавно изменять соответственно углы падения ультразвукового луча в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Ультразвуковой луч наблюдается в виде светлых пятен, расположенных вдоль распространения ультразвуковых колебаний в воде. Размещая на пути распространения ультразвукового луча какое-либо препятствие, можно наблюдать отражение и преломление луча.
Описываемая установка позволяет проводить и другие опыты, характер которых зависит от изучаемой программы и оборудования учебного кабинета. В качестве нагрузки генератора можно включать пластинки из титаната бария и вообще любые пластинки, обладающие пьезоэффектом на частотах от 0,5 Мгц до 4,5 Мгц. При наличии пластин на другие частоты требуется изменить количество витков в катушках индуктивности (увеличивать для частот ниже 0,5 Мгц и уменьшать для частот выше 4,5 Мгц). При переделке колебательного контура и катушки обратной связи на частоты 15 кГц можно включать вместо кварца любой магнитострикционный преобразователь мощностью не более 60 ВА
Радио 9/196.., с.33-36.