Демонстрационная ультразвуковая установка

Установка для демонстрации опытов с ультразвуком состоит из электронного генератора (рис. 1), кварцевого преобразователя электрических колебаний в ультразвуковые и линзового сосуда для фокусировки ультразвука. Анодные цепи ламп генератора питаются непосредственно переменным током (без выпрямителя). Это не сказывается отрицательно на работе прибора и в то же время упрощает его схему и конструкцию.

Генератор выполнен по двухтактной схеме на лампах 6ПЗС, включенных триодами (экранные сетки соединены с анодами). В анодные цепи ламп включен контур L1C2, задающий частоту колебаний, а в сеточные — катушка обратной связи L2. В катодные цепи включено сопротивление R1, определяющее режим ламп. Высокочастотный сигнал подается на кварцевый резонатор Q через разделительные конденсаторы С4 и С5. Кварц размещается в герметическом кварцедержателе и соединяется с генератором проводами длиной 1 м.

Катушки L1 и L2 выполнены в виде плоских спиралей. Они наматываются на оправке диаметром 10...15 мм между двумя деревянными щечками и затем размещаются одна над другой с разных сторон крестовины из текстолита или пластмассы с выпиленными углублениями под витки (расстояние между серединами углублений — 6 мм). Катушка L1 имеет 16, а катушка L2 —12 витков медного изолированного провода диаметром 3 мм. Для закрепления катушек верхнюю (L1) следует прижать второй крестовиной (без углублений) и весь блок положить на пластину из органического стекла, гетинакса или пластмассы, укрепленную на металлическом шасси. Вид на монтаж генератора показан на рис. 2, подробнее его конструкция описана в упомянутой статье.

Дроссель Др1 наматывается на керамическом или пластмассовом каркасе диаметром 30 мм проводом марки ПЭЛШО 0,25. Намотка ведется внавал секциями* по 100 витков в каждой, всего 300...500 витков. В конструкции применен самодельный силовой трансформатор, но подойдет и любой другой мощностью не менее 70 В-А с повышающей обмоткой, обеспечивающей при нагрузке 470 В на анодах ламп 6ПЗС.

Кварцедержатель изготавливается из бронзы по чертежу, показанному на рис. 3. В корпусе ж сверлом диаметром 3 мм просверливается Г-образное отверстие для вывода провода л. Резиновое кольцо е служит для амортизации и изоляции кварца. Контактное кольцо б вырезается из листовой латуни толщиной 0,2 мм. Это кольцо имеет лепесток м для припаивания провода л. Провод и припаивается к опорному фланцу о. Оба провода должны иметь хорошую изоляцию. Не рекомендуется скручивать провода между собой.

Линзовый сосуд состоит из цилиндра е и ультразвуковой линзы б (рис. 4). Цилиндр выгибают из нагретой до размягчения пластинки органического стекла толщиной 3 мм на круглом деревянном шаблоне. Шов склеивают уксусной эссенцией или дихлорэтаном.

Для изготовления ультразвуковой линзы б нужно сделать специальное приспособление (см. статью), состоящее из стального шарика диаметром 18...22 мм и ввинченного в него стержня. Стержень зажимают в патрон сверлильного станка, включают станок на средних оборотах и, вдавливая шарик в пластину органического стекла толщиной 10... 12 мм, получают сферическое углубление. Затем на токарном станке придают заготовке линзы форму, показанную на рис. 4. Выступ высотой 3 и диаметром 23,8 мм предназначен для центровки линзы в кварце-держателе. Цилиндр приклеивают к ультразвуковой линзе так, чтобы его ось совпала с осью линзы. После высыхания в линзе просверливают три отверстия и нарезают резьбу для подстроечных винтов.

В качестве разделительных (С4 и С5) в генераторе следует использовать конденсаторы с номинальным напряжением не менее 1500 В. Во время налаживания и демонстрации опытов следует соблюдать все меры предосторожности, так как переменное напряжение частотой 50 Гц на анодах ламп равно 470 В, а частотой 3 МГц — 1000 В.

Налаживание прибора обычно сводится к настройке контура L1C2 в резонанс с собственной частотой кварца. Кварцевую пластинку в (см. рис. 3) cледует 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 (С2) и добиваются резонанса между колебаниями генератора и кварцевой пластинки В момент резонанса наблюдается максимальное вспучивание жидкости, налитой в углублении на крышке.

Одна из наиболее эффективных демонстраций — это получение фонтана жидкости под действием ультразвуковых колебаний.

Для этого нужно линзовый сосуд разместить поверх кварцедержателя так, чтобы между дном 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 подстроенных винтов, предварительно подстроив генератор с помощью конденсатора С2. При правильной настройке удается получить водяной фонтан высотой 30—40 см (рис. 5). Одновременно с появлением фoнтана возникает водяной туман, являющийся результатом кавитационного процесса, сопровождающегося характерным шипением.

В качестве нагрузки генератора можно использовать пластинки из титаната бария и других материалов, обладающие пьезоэффектом на частотах от 0,5 до 4,5 МГц. При наличии пластин на другие частоты требуется изменить количество витков в катушках индуктивности (увеличить для частот ниже 0,5 МГц и уменьшить для частот выше 4,5 МГц). При переделке колебательного контура и катушки обратной связи на частоту 15 кГц можно включать вместо кварца магнитострикционный преобразователь мощностью не более 60 В-А.

Вернуться к содержанию журнала "Радио" 9 номер 2003 год