Чтобы сделать ультразвуковой генератор, необходимо дополнительно приобрести два прямоугольных генератора импульса, но также предварительно разработать усилитель мощности по классической мостовой схеме. Кроме того, требуется дополнительно разработать принципиальную схему, по которой и будет осуществлена дальнейшая сборка устройства ультразвука. Так, в электрической цепи в обязательном порядке должны присутствовать резисторы для контроля частоты звука, конденсаторы для плавного изменения выходной частоты, полевые транзисторы в составе мостовой схемы, инверторы для продолжения звука, дроссель для выпрямления тока и обязательно блок питания для подачи на электрическую схему рабочего напряжения. Простому обывателю такая задача, увы, не под силу, поэтому при составлении схему и проведении дополнительных расчетов все же не помешает предварительно проконсультироваться с профессионалом.
Существует два вида схем создания ультразвукового генератора: с присутствием трансформатора и без его участия. Принципиальные цепи отличаются, однако в обоих случаях готовое устройство исправно функционирует и прекрасно справляется со своими прямыми обязанностями - генерация звука различной частоты. В первом варианте электрическая схема не содержит трансформатора, а источником основного сигнала становится микросхема драйвера двухтактного типа ЛДС КФ1211ЕУ1. Именно из него выходит сигнал и сразу поступает на драйверы ключей, которые, в свою очередь, управляются по принципу транзисторного моста. В схему дополнительно введен таймер, соединенный с кнопкой управления, которая работает по классическому принципу "Вкл/Выкл". Напряжение питающей сети после сборки подобной конструкции может достигать 500 В по постоянному току, при этом мощность самодельного генератора постоянно наращивается.
Если рабочее напряжение завышено, корректировать его можно при помощи резисторов, которые понижают его при помощи введения в принципиальную схему добавочного сопротивления. Здесь главное - правильно по заданным параметрам конкретной цепи определить тип такой детали, иначе по незнанию готовый механизм сгорит от повышенного напряжения. Расчет добавочного сопротивления производится по закону Ома для цепи переменного тока. Кроме того, приблизительные физические подсчеты в примерах можно всегда найти во всемирной сети - на специализированных сайтах радиолюбителя. В данном случае лучше не экспериментировать с повышенным напряжением: ультразвуковой генератор может быть таким образом окончательно испорчен. Тем более, известна принципиальная схема, которая прекрасно функционирует при рабочем напряжении в 35 В. Воспроизвести ее в домашней обстановке также несложно, главное - подготовить требуемые материалы.
Чтобы изготовить ультразвуковой генератор на напряжение 35 В, за основу рекомендуется взять печатную плату, выполненную из текстолита или стеклотекстолита. Нижняя составляющая платы будет экраном и проводом, а принципиальную схему разводки можно посмотреть в интернете для наглядности. По схеме собрать все требуемые элементы, а готовую конструкцию в итоге покрыть лаком. Сделать такое устройство будет непросто человеку, который не имеет никакого отношения к электрике и радиотехнике. Так что этот важный момент также важно взять на заметку, чтобы при отсутствии требуемого "багажа знаний" не терять впустую драгоценное время.
Современный человек отчетливо понимает, насколько важен и незаменим в быту ультразвуковой генератор; именно поэтому старается заполучить его в личное пользование. Широкий ассортимент моделей представлен в специализированных магазинах, однако стоимость таких экземпляров стартует от 10 000 рублей. В целом, это выгодное приобретение, если постоянно использовать его по назначению. При отсутствии заявленной суммы вполне реально соорудить такую конструкцию в домашней обстановке, но для начала отыскать инструкцию по изготовлению, понять принцип работы этого сложного механизма и определить его целесообразность в конкретном случае. Если прибор действительно необходим, то без помощи специалиста возникнут определенные сложности в процессе его разработки.
Необходим для очень широкого спектра девайсов - отпугивателей мышей, комаров, собак. Или просто в качестве ультразвуковой стиральной машинки. Так-же с данным EPU можно ставить интересные опыты и эксперименты (товарищи добавляют: в том числе и с соседями:)). Может использоваться для сокращения времени травления и промывки печатных плат, уменьшения времени замачивания белья. Ускорение протекания химических процессов в жидкости, облучённой ультразвуком, происходит благодаря явлению кавитации — возникновению в жидкости множества пульсирующих пузырьков, заполненных паром, газом или их смесью и звукокапиллярному эффекту. Ниже представлена схема ультразвукового генератора переменной частоты, взятая из журнала "Радиоконструктор".
Основу схемы составляют два генератора импульсов прямоугольной формы и мостовой усилитель мощности. На логических элементах DD1.3, DD1.4 выполнен перестраиваемый генератор импульсов формы меандр ультразвуковой частоты. Его рабочая частота зависит от ёмкости конденсатора С3 и общего сопротивления резисторов R6, R4. Чем сопротивление этих резисторов больше, тем частота меньше. На элементах DD1.1, DD1.2 сделан НЧ генератор с рабочей частотой около 1 Гц. Оба генератора связаны между собой через резисторы R3, R4. Конденсатор С2 предназначен для того, чтобы частота высокочастотного генератора изменялась плавно. Если конденсатор С2 зашунтировать переключателем SA1, то частота высокочастотного генератора будет постоянной. На микросхеме DD2 и полевых транзисторах выполнен мостовой усилитель мощности импульсов. Инверторы микросхемы раскачивают двухтактные повторители на полевых транзисторах. Когда на выводах 3, 6 DD2 лог. О, то на выходах DD2.3, DD2.4 будет лог. 1. Соответственно, в этот момент времени будут открыты транзисторы VT1, VT4, a VT2, VT4 будут закрыты. Использование сигнала прямоугольной формы приводит к богатому гармониками акустическому излучению. В качестве излучателей ультразвука используются две высокочастотные динамические головки типа 2ГД-36-2500. Можно использовать и 6ГД-13 (6ГДВ-4-8), ЭГД-31 (5ГДВ-1-8) и другие аналогичные. При возможности, их желательно заменить мощным пьезокерамическим излучателем или магнитостриктором, который можно попробовать изготовить самостоятельно, намотав на ферритовом П-образном сердечнике от ТВС телевизора несколько десятков витков многожильного медного провода, а в качестве мембраны применить небольшую стальную пластину. Катушка должна быть размещена на массивной опоре. Р-канальные полевые транзисторы можно заменить на IRF5305, IRF9Z34S, IRF5210; п-канальные — IRF511, IRF541, IRF520, IRFZ44N, IRFZ48N. Транзисторы устанавливаются на радиаторы. Микросхемы можно заменить на 564ЛА7, CD4011A, К561ЛЕ5, КР1561ЛЕ5, CD4001B. Дроссель L1 — любой миниатюрный индуктивностью 220.... 1000 мкГн. Резисторы R7, R8 — самодельные проволочные. Переменный резистор СП3-30, СП3-3-33-32 или с выключателем питания СП2-33-20. Печатную качаем в архиве.
Настройка. Движок переменного резистора R5 устанавливается в среднее положение, контакты выключателя SA1 замыкаются, подбором ёмкости конденсатора С3 и сопротивления резистора R6 устанавливается частота генератора на DD1.3, DD1.4 около 30 кГц. Далее, контакты SA1 размыкаются и подбором сопротивлений резисторов R2, R3 и R4 следует установить девиацию ультразвуковой частоты от 24 кГц до 35...45 кГц. Делать её более широкой не следует, так как или работа устройства станет слышимой человеком, либо заметно возрастут потери на переключение полевых транзисторов, а эффективность излучателей звука упадёт. Срыв работы генератора на DD1.3, DD1.4 не допускается, так как это может привести к повреждению катушек динамических головок. Источник питания должен быть рассчитан на ток не менее 2 А. Напряжение питания может быть от 11 до 13 вольт.
Сегодня собрал такую схему ультразвукового излучателя - работает не очень, но! Немного пораскинув умом, пришел к выводу о необходимости повысить ёмкость С3 до 2200 пф, далее естественно была устранена ошибка в схеме - в элементе DD2.2 выводы 4 и 6 перепутаны. И о чудо - работает. Правда долго выдержать этот пронзительный звук, меняющийся в широком диапазоне не представляется возможным даже тем, кто находится и в других комнатах. Голова начинает даже не болеть, а её как будто в тиски жмёт, до тошноты противное состояние, выдержал секунд 30.
Ток потребления можно рассчитать исходя из сопротивления применяемого ультразвукового излучателя, закон Ома помнят думаю все. К примеру, у меня стоит на 16 Ом, приняв за КПД 100% оконечного каскада, что почти так и есть, получаем 750 мА при напряжении питания 12 В. Напряжение менять не стоит, иначе упадет мощность, да и смысл уменьшать? Свой ультразвуковой излучатель питаю от кренки на 12 В. При перепадах напряжения частота более менее стабильна получается. Диапазон выходных частот варьирует в широком пределе переменным резистором от слышимого спектра - до не слышимого, необходимо лишь правильно подобрать скважность импульсов для правильной работы схемы. Устройство собрал и испытал: ГУБЕРНАТОР.
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.
>" src="/index_files/arrow001.png">
Некоторые птицы, а также собаки, мыши, крысы, летучие мыши и другие животные могyт слышать звуки с частотами до 40000 Гц. Схема, предложенная здесь, издает непрерывный ультразвук частотой выше воспринимаемой человеком в диапазоне между 18000 и 40000 Гц. Устройство может быть использовано для лечения собак и других животных, в биологических экспериментах и для многих других целей.
Схема (рис. 1) генерирует сигнал частотой от 18000 до 40000 Гц, но вы можете легко поменять этот диапазон подбором емкости конденсатора С1 или резистора R1. Диапазон номиналов емкости С1 - от 470 пФ до 0,001 мкФ, сопротивление резистора R1 можно увеличивать до 100 кОм. Верхняя граница генерируемых ИС 4093 частот - 500 кГц.
Перечень элементов приведен в таблице.
Схема может быть помещена в небольшой пластмассовый корпус. динамик закрепляется па передней панели.
Ультразвуковой генератор 1. Эта схема работает в диапазоне частот от 18 до 40 кГц
Ультразвуковой генератор второй вариант
С помощью двух ИС 4093 можно изготовить мощный ультразвуковой генератор, как показано на рисунке. В качестве нагрузки в схеме используется пьезодинамик или пьезонаушник на десятки милливатт. Генератор работает в частотном диапазоне между 18000 и 40000 Гц.
Частота может варьироваться путем изменения емкости С2. Верхний предел частоты схемы - 1 МГц.
Генератор пригоден для проведения биологических экспериментов, связанных с изучением поведения животных и условий их содержания. Питание - четыре пальчиковых батарейки или батарейка/аккумулятор на 9 В. Схема потребляет всего несколько миллиампер, при этом срок службы батареек - до нескольких недель.
Последовательно с R1 можно включить переменный резистор номиналом 47 кОм, что позволит регулировать частоту в широком диапазоне.
Перечень элементов дан в таблице. В качестве громкоговорителя можно использовать высокочастотный пьезодинамик - твитер. Внутри этого компонента имеется небольшой выходной трансформатор, как показано на рисунке. Вам нужно удалить его.
Перечень элементов ультразвукового генератора 2
Ультразвуковой генератор третий вариант
Это третья версия ультразвукового генератора. Используется пьезоэлектрический твитер. Выходной каскад на транзисторах обеспечивает мощный выходной сигнал. Динамик, являющийся нагрузкой выходного каскада, может выдавать ультразвуковой сигнал мощностью до 400 мВт.
Схема питается от четырех пальчиковых батареек или от аккумулятора/батарейки напряжением 9 В, потребляемый ток - около 50 мА.
Частота может задаваться резистором R1 в диапазоне между 18000 и 40000 Гц. Можно изменять частоту подбором емкости конденсатора С1. Значения между 470 и 4700 пФ могут быть подобраны экспериментально.
Хотя твитер имеет наибольшую эффективность в диапазоне между 10000 и 20000 Гц, этот преобразователь, как экспериментально подтверждено, может нормально работать и на частотах до 40000 Гц.
В данной схеме нет необходимости отсоединять внутренний трансформатор твитера, как мы делали в предыдущем проекте. Вы можете также использовать специальный ультразвуковой преобразователь с сопротивлением от 4 до 100 Ом.
Принципиальная схема ультразвукового генератора показана на рисунке. Перечень элементов приведен в таблице. Устройство может быть собрано в небольшом пластмассовом корпусе.
Для регулировки частоты используйте частотомер, подключая его к выводу 4 ИС.
Эта схема может выдавать ультразвуковой сигнал мощностью в несколько ватт с применением пьезоэлектрического твитера или преобразователя другого типа. Рабочая частота - от 18000 до 40000 Гц, она может изменяться подбором емкости конденсатора С1. При больших значениях емкости будет формироваться сигнал в звуковом диапазоне, что позволяет использовать схему в аварийной сигнализации и других устройствах. В этом случае твитер может быть заменен обычным громкоговорителем.
Схема потребляет несколько сот миллиампер от источника питания 9 или 12 В. Батарейки рекомендуются только для кратковременных режимов работы.
Можно использовать это устройство для отпугивания собак и других животных, установив его около мест для сбора мусора и др.
Ультразвуковой режим работы достигается при величине емкости С1 от 470 до 2200 пФ. Для сигнала звукового диапазона требуется емкость в диапазоне 0,01-0,012 мкФ.
Принципиальная схема мощного ультразвукового генератора показана на рисунке, перечень элементов приведен в таблице.
Мощный ультразвуковой генератор. Все транзисторы должны быть смонтированы на радиаторах
Транзисторы должны быть смонтированы на радиаторах. Все компоненты можно поместить в пластмассовый корпус
Владельцы патента RU 2343011:
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве генератора эталонных акустических импульсов при тестировании высокочастотной датчиковой аппаратуры. Техническим результатом изобретения является повышение крутизны фронта генерируемых акустических импульсов, возможность формирования эталонных акустических импульсов с неискаженной формой и снижение уровня электромагнитных помех. Ультразвуковой генератор содержит источник питания, ограничительный резистор, формирующую электрическую цепь, включающую накопительный конденсатор и коммутирующее устройство, и пьезопреобразователь с токопроводами, подключенными к названной цепи. Элементы формирующей цепи и пьезопреобразователь конструктивно выполнены в виде единой осесимметричной конструкции с тремя изолированными друг от друга токопроводящими оболочками. Накопительный конденсатор выполнен в виде тонкостенного цилиндра, обкладками которого служат перекрывающиеся части средней и внутренней оболочек. Пьезопреобразователь размещен у одного из торцов накопительного конденсатора и снабжен демпфером, расположенным во внутренней полости указанного конденсатора. Внешняя оболочка выполнена замкнутой и служит обратным токопроводом пьезопреобразователя, прямым токопроводом которого служит одна из обкладок конденсатора. При этом коммутирующее устройство соединено с другой обкладкой конденсатора и внешней оболочкой и размещено внутри нее. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к измерительной технике, конкретнее к области электрических измерений параметров импульсных механических нагрузок в виброакустике и физике взрыва, и может быть использовано в качестве генератора эталонных акустических импульсов при тестировании высокочастотной датчиковой аппаратуры.
Известно, что одним из важных этапов предварительной подготовки пьезополимерных высокочастотных датчиков динамических давлений однократного действия на основе пьезопленок поливинилиденфторида (ПВДФ), в том числе высокочастотных микрополосковых датчиков (см., например, 1. Толстиков И.Г., Мартынов А.П., Фомченко В.Н., Погодин Е.П., Долгов В.И. Пьезоэлектрический датчик и способ его изготовления. Патент RU №2258276, БИ №22, 2005. 2. Толстиков И.Г., Мартынов А.П., Фомченко В.Н., Астайкин А.И., Троцюк К.В. Пьезоэлектрический датчик. Патент RU №2262157, БИ №28, 2005) к эксперименту является неразрушающее тестирование (входной контроль) с целью отбора групп датчиков с одинаковой пьезоактивностью и последующая калибровка датчиков каждой группы для корректировки результатов измерений. Для этой цели в настоящее время используются в основном такие известные экспериментальные установки для создания ударных и акустических волн, как различного рода ударные трубы и легкогазовые пушки или мощные импульсные лазеры (см., например, 3. В.В.Селиванов, B.C.Соловьев, Н.Н.Сысоев. Ударные и детонационные волны. Методы исследования. - М.: Изд-во МГУ, 1990, 265 с.). Обычно необходимая амплитуда зондирующих плоских волн лежит в диапазоне от 10 кПа до 1 МПа, длительность импульсов давления с постоянной амплитудой лежит в субмикросекундном или микросекундном диапазоне, длительность переднего фронта - несколько десятков наносекунд, форма эталонных импульсов давления должна быть близка к прямоугольной (ступеньке), при этом разновременность прихода переднего фронта волны на площадку, размеры которой должны быть существенно больше размеров чувствительного элемента датчика, должна быть значительно меньше длительности переднего фронта импульсов давления. К недостаткам указанных установок, предназначенных, как правило, для создания более мощных ударных волн, чем необходимо для тестирования указанных датчиков, следует отнести их высокую стоимость, сложность технического обслуживания, высокую стоимость отдельного опыта, а также проблемы, связанные с защитой датчиков от разрушения.
Известны способ и устройство для создания ударных волн, используемых в технике, преимущественно в медицинской технике (Werner Hartmann, Joerg Kieser. Apparatus for producing shock waves for technical, preferably medical application. Patent US 6,383,152. Int. Cl. 7 A61B 17/22. Date of Patent: May 7, 2002). В соответствии с этим изобретением волны давления создают с помощью кратковременного нагрева проводящего электролита, причем с помощью интенсивного электрического импульса электрическая энергия непосредственно и без потерь преобразуется в тепловую энергию электролита. Соответствующее устройство для осуществления способа отличается наличием двух электродов, которые закрывают электролит и соединены с мощным импульсным генератором. Один из электродов обеспечивает выход звуковых волн в среду, распространяющую звук.
Недостатком известного устройства является использование мощного импульсного генератора и жидкой рабочей среды (электролита) для формирования импульса давления, что, несомненно, усложняет установку в целом. Другим недостатком является необходимость охлаждения электролита после опыта, что увеличивает время между отдельными опытами.
Известен ультразвуковой генератор (В.П.Минчук. Ультразвуковой генератор. А.с. 411918, М. Кл. В06В 1/06, Н03h 5/08. Опубл. БИ №3, 1974). В этом ультразвуковом генераторе формирование электрических импульсов возбуждения пьезоэлектрического преобразователя (пьезопреобразователя) осуществляется за счет медленного заряда и быстрого разряда емкости самого преобразователя. Возбуждение упругих колебаний стенок пьезопреобразователя происходит при разряде, когда резко уменьшается напряжение на обкладках пьезопреобразователя и снимается воздействие электрического поля.
Недостатком известного ультразвукового генератора является сильное отличие (искажение) формы генерируемого импульса давления от эталонной вследствие быстрого падения напряжения на пьезопреобразователе при разряде.
Наиболее близким аналогом (прототипом) по технической сущности к предлагаемому техническому решению является ультразвуковой генератор (излучатель), работающий в импульсном режиме т.н. ударного возбуждения пьезопреобразователя (4. Ультразвуковые пьезопреобразователи для неразрушающего контроля. Под общ. ред. Ермолова И.Н. - М.: Машиностроение, 1986, 280 с., см. с.64, см. также, с.61). Такой ультразвуковой генератор (генератор акустических волн) работает следующим образом. От источника питания через ограничительный резистор предварительно заряжается накопительный конденсатор, который после срабатывания коммутатора разряжается через электрическую цепь (с сосредоточенными оптимальными параметрами), в которую включен (ультразвуковой) пьезопреобразователь.
Таким образом, известный ультразвуковой генератор содержит источник питания, ограничительный (зарядный) резистор, формирующую электрическую цепь с сосредоточенными оптимальными параметрами, включающую накопительный конденсатор и коммутирующее устройство, и пьезопреобразователь с токопроводами, подключенными к названной цепи.
Как отмечается в работе , быстродействие пьезопреобразователей теоретически ограничивается только временем установления ионной поляризации в пьезоматериалах и лежит в пределах 10 -10 -10 -13 с. На практике минимальная длительность акустических импульсов, излучаемых обычными пьезопреобразователями из пьезокерамики, составляет единицы наносекунд и ограничивается чисто техническими возможностями создания электронных схем генераторов наносекундной длительности и чистотой обработки излучающей поверхности пьезоэлемента. Проблема в нашем случае осложняется тем, что для достижения максимальных амплитудных значений эталонных импульсов на достаточно большой площади (порядка нескольких квадратных сантиметров) необходимо использовать высоковольтную импульсную (наносекундную) технику без традиционных электронных схем.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании простого импульсного генератора акустических волн (ультразвукового генератора) для тестирования высокочастотных датчиков, отличающегося крутым фронтом (длительностью порядка единиц наносекунд или менее), регулируемой амплитудой (до 1 МПа) и не являющегося источником заметных электромагнитных помех.
Технический результат, достигаемый при осуществлении предполагаемого изобретения, заключается в повышении крутизны фронта генерируемых акустических импульсов приблизительно на порядок величины (повышении частоты, расширении частотного диапазона), в возможности формирования эталонных акустических импульсов с неискаженной формой, а также в значительном снижении создаваемых ультразвуковым генератором электромагнитных помех (повышение электромагнитной совместимости ультразвукового генератора и тестируемой с его помощью датчиковой аппаратуры), что в конечном итоге позволяет использовать названный генератор для тестирования высокочастотных датчиков в качестве генератора эталонных акустических импульсов.
Для достижения указанного технического результата в заявленном ультразвуковом генераторе, содержащем источник питания, ограничительный резистор, формирующую электрическую цепь, включающую накопительный конденсатор и коммутирующее устройство, и пьезопреобразователь с токопроводами, подключенными к названной цепи, новым является то, что элементы формирующей цепи и пьезопреобразователь конструктивно выполнены в виде единой осесимметричной конструкции с тремя изолированными друг от друга токопроводящими оболочками, в которой накопительный конденсатор выполнен в виде тонкостенного цилиндра, обкладками которого служат перекрывающиеся части средней и внутренней оболочек, пьезопреобразователь размещен у одного из торцов накопительного конденсатора и снабжен демпфером, расположенным во внутренней полости указанного конденсатора, внешняя оболочка выполнена замкнутой и служит обратным токопроводом пьезопреобразователя, прямым токопроводом которого служит одна из обкладок конденсатора, при этом коммутирующее устройство соединено с другой обкладкой конденсатора и внешней оболочкой и размещено внутри нее.
Кроме того, для получения разделенных по времени эталонных акустических импульсов сжатия и растяжения пьезопреобразователь выполнен в виде плоскопараллельной пьезопластины, дополнительно введены коммутирующее устройство, включенное между внутренней и средней оболочками, и устройство управления коммутирующими устройствами.
Кроме того, пьезопреобразователь выполнен в виде плоскопараллельной пьезопластины, совершающей упругие колебания по толщине, дополнительно введены второе коммутирующее устройство, включенное между внутренней и средней оболочками, и устройство управления коммутирующими устройствами. Интервал времени между моментами срабатывания последних выбран меньше полупериода собственных колебаний пьезопластины. Это позволяет получить разделенные по времени эталонные акустические импульсы сжатия и растяжения (см. ниже). При этом последовательность формирования названных импульсов на выходе ультразвукового генератора обратима и зависит от полярности нагружающего пьезопреобразователь электрического импульса (точнее, от взаимного расположения вектора напряженности электрического поля и полярной оси пьезоматериала).
На фиг.1 представлен вариант конструкции заявленного ультразвукового генератора с одним коммутирующим устройством. На фиг.2 приведена упрощенная электрическая схема для ультразвукового генератора на фиг.1. На фиг.3 представлен вариант конструкции заявленного ультразвукового генератора с двумя коммутирующими устройствами. На фиг.4 приведена упрощенная электрическая схема для ультразвукового генератора на фиг.3.
Ультразвуковой генератор с одним коммутирующим устройством на фиг.1 (см. также обозначения на фиг.2) содержит корпус 1 с крышкой 2, пьезопреобразователь (С п) 3 с электродами 4, 5 и демпфером 6, накопительный конденсатора (С н) 7 с обкладками 8 и 9, коммутирующее устройство (Р) 10 с выходом к устройству (блоку) управления (БУ), шунтирующее сопротивление (Z) 11 и токовыводы 12, 13 и 14 цепи заряда накопительного конденсатора 7. Накопительный конденсатор 7 выполнен в виде тонкостенного цилиндра, во внутренней полости которого размещен демпфер 6. Двумя стрелками справа на фиг.1 отмечены места подключения цепи ограничительного резистора (R) и источника питания (U 0) (на фиг.1 не показаны, см. фиг.2). Стрелками слева на фиг.1 показано направление распространения выходного акустического импульса ультразвукового генератора от выходного (лицевого) электрода 4 пьезопреобразователя 3 во внешнюю среду. При этом элементы формирующей цепи (7, 10) и пьезопреобразователь 3 конструктивно выполнены в виде единой осесимметричной конструкции с тремя изолированными друг от друга (с помощью изолятора 15, диэлектрического материала накопительного конденсатора 7 и пьезоматериала пьезопреобразователя 3) токопроводящими оболочками, которые используются для обеспечения электрических и механически соединений элементов ультразвукового генератора в целом. Внешняя замкнутая оболочка состоит из корпуса 1, крышки 2 и выходного электрода 4 пьезопреобразователя 3 и используется также для соединения пьезопреобразователя 3, коммутирующего устройства 10, токовывода 14 и крепления токовывода 12 с помощью изолирующей втулки 16. Внутренняя оболочка, выполненная в виде стакана, состоит из внутренней обкладки 8 накопительного конденсатора 7, внутреннего (тыльного) электрода 5 пьезопреобразователя 3 и промежуточной части 17, соединяющей токопроводы пьезопреобразователя 3 и накопительного конденсатора 7. Средняя оболочка, также выполненная в виде стакана, состоит из внешней обкладки 9 накопительного конденсатора 7 и донной части 18, используемой для соединения токовывода 12, коммутирующего устройства 10 и крепления шунтирующего сопротивления 11 и токовывода 13 с помощью изолирующей втулки 19. Пьезопреобразователь 3 размещен у одного из торцов накопительного конденсатора 7, обкладками 8 и 9 которого служат перекрывающиеся части средней и внутренней оболочек. Внешняя оболочка служит обратным токопроводом пьезопреобразователя 3, прямым токопроводом которого служит одна из обкладок (8 на фиг.1 в рассматриваемом варианте) конденсатора 7, при этом коммутирующее устройство 10 соединено с другой обкладкой (9 на фиг.1 в рассматриваемом варианте) конденсатора 7 и внешней оболочкой и размещено внутри нее. Отметим, что в соответствии с формулой изобретения возможен другой вариант выполнения конструкции ультразвукового генератора, который формально можно получить, поменяв местами в приведенном выше описании слова «средняя» и «внутренняя» (оболочка), а также соответственно «внешняя» и «внутренняя» (обкладки).
Отметим, что в варианте выполнения ультразвукового генератора с одним коммутирующим устройством (см. фиг.1 и 2) в качестве последнего может быть использован как управляемый, так и неуправляемый разрядник. В варианте с двумя коммутирующими устройствами (см. фиг.3 и 4) используются управляемые разрядники, например вакуумные искровые разрядники типа ВИР (см. ссылку , с.87-92).
Ультразвуковой генератор с двумя коммутирующими устройствами на фиг.3 (см. также обозначения на фиг.4) в отличие от предыдущего варианта содержит дополнительно второе коммутирующее устройство 20, включенное между внутренней и средней оболочками, т.е. параллельно конденсатору 7, с помощью дополнительного токовывода 21, и устройство управления двумя коммутирующими устройствами (P 1 , Р 2) 10 и 20. Второе коммутирующее устройство 20 (и токовывод 21) принадлежит формирующей цепи и размещается непосредственно за демпфером по оси симметрии. Устройство управления (блок управления БУ) коммутирующими устройствами 10 и 20 размещается аналогично источнику питания (на фиг.3, 4 не показан). При этом пьезопреобразователь 3 выполнен в виде плоскопараллельной пьезопластины, совершающей упругие колебания по толщине, а интервал времени между моментами срабатывания коммутирующих устройств 10 и 20 выбран меньше полупериода собственных колебаний пьезопластины.
Ультразвуковой генератор функционирует следующим образом (см. фиг.1-4). Тестируемые высокочастотные датчики (см., например, ссылки ) размещаются предварительно на выходной поверхности ультразвукового генератора (выходном электроде 4 пьезопреобразователя (С п) 3), на которой может быть нанесена путем напыления диэлектрическая пленка, а также сами датчики, например, на основе ленгмюровских ультратонких пьезопленках (см. ) Затем от источника питания (U 0) через ограничительный резистор (R), шунтирующее сопротивление (Z) 11 и токовыводы 12, 13 и 14 медленно заряжается накопительный конденсатор 7. После срабатывания коммутатора 10 в момент времени t=0 накопительный конденсатор 7 быстро разряжается через формирующую электрическую цепь, в которую включен (ультразвуковой) пьезопреобразователь 3. При этом, как известно, шунтирующее сопротивление (Z) 11 выбирается таким образом, чтобы на высоких частотах оно было значительно больше сопротивления пьезопреобразователя (С п) 3, поэтому ток разряда накопительного конденсатора 7 во время формирования выходного импульса давления протекает в основном через пьезопреобразователь. Кроме того, поскольку емкость накопительного конденсатора (С п) 7 значительно больше емкости пьезопреобразователя (С п) 3, то форма импульса напряжения U(t) на пьезопреобразователе 3 близка к прямоугольной ступеньке с амплитудой, практически равной напряжению источника U 0 в течение времени, необходимого для возбуждения в последнем эталонного импульса давления (см. ниже).
В качестве преобразователя 3, имеющего наиболее простую конструкцию, может быть использован, например, пьезоэлемент в виде диска из кварца х-среза (см. фиг.1) толщиной d с электродами на основаниях 4 и 5, размещенный вплотную с демпфером 6. Демпфер 6, выполненный, например, из эпоксидной смолы с вольфрамовым порошковым наполнителем, акустически согласован с пьезоэлементом преобразователя 3 и обеспечивает быстрое поглощение входящих в него акустических волн. Работа такого преобразователя 3 основана на том, что акустические сигналы возникают на поверхностях (основаниях), несущих электроды 4 и 5 (см., например, ). Если в момент времени t=0 (срабатывания коммутирующего устройства) преобразователь возбудить электрическим импульсом U(t) длительностью t 0 , то на электродах 4 и 5 появляются свободные электрические заряды и вследствие обратного пьезоэффекта оба его основания приходят в движение. Каждое основание работает как источник двух ультразвуковых волн (сжатия и растяжения), излучаемых в двух направлениях по оси симметрии генератора: в объем пьезоэлемента и во внешнюю среду (демпфер). Отметим, что все волны, прошедшие влево через тыльную поверхность (5), поглощаются демпфером 6, отражение на тыльной поверхности (5) отсутствует. В результате на лицевой поверхности (4) возникает два акустических импульса: первый импульс, излучаемый лицевой стороной (4) с момента времени t=0; второй импульс, излучаемый с момента времени t=0 тыльной поверхностью (5) и приходящий на лицевую поверхность (4) в момент t=Т=d/c (где с - скорость упругих волн в кварце), то есть с задержкой, соответствующей времени распространения упругой волны по пьезоэлементу. Форма обоих импульсов давления σ(t) (механического напряжения) одинакова и совпадает с формой нагружающего импульса U(t) (для высокочастотных пьезоматериалов типа кварца) / см., например, Кайно Г. Акустические волны: Устройства, визуализация и аналоговая обработка сигналов: Пер. с англ. - М.: Мир, 1990, 656 с., см. с.58/, т.е. является близкой к прямоугольной. Важно отметить, что при любой длительности t 0 нагружающего импульса U(t) в интервале времени 0≤t<Т форма импульса давления на лицевой поверхности (4) соответствует эталонной.
Временная диаграмма импульсов давления σ(t) зависит от длительности t 0 нагружающего импульса U(t) следующим образом: при t 0 >d/c=Т, т.е. в случае с одним коммутирующим устройством импульсы σ(t) накладываются друг на друга с момента t=Т в интервале Т Зависимость σ(t) и значение σ 0 можно определить из уравнения обратного пьезоэффекта: σ(t)=e·E(t)=e·U(t)/d, σ 0 =е·Е 0 =е·U 0 /d, где е - пьезоконстанта пьезоматериала, е=е 11 для кварца х-среза, Амплитуда акустического импульса σ 0 (в пьезоматериале) может принимать следующие значения (или меньше): для кварца σ 0 =0,9 МПа при Е 0 =5 кВ/мм (е 11 =0,18 Кл/м 2), для пьезокерамики ЦТС-21 σ 0 =6,73 МПа при Е 0 =1 кВ/мм, для пьезокерамики титаната бария ТБ-1 σ 0 =12,7 МПа при Е 0 =1 кВ/мм. Расчетная длительность импульсов давления с постоянной амплитудой лежит в субмикросекундном или микросекундном диапазоне, длительность переднего фронта - несколько наносекунд. При этом длительность генерируемого акустического импульса определяется длительностью Т полупериода собственных колебаний пьезопластины (для варианта конструкции с одним коммутирующим устройством) или длительностью t 0 Таким образом, выполнение ультразвукового генератора в соответствии с предлагаемым изобретением приводит к повышению крутизны фронта генерируемых акустических импульсов приблизительно на порядок величины, к возможности формирования эталонных акустических импульсов с неискаженной формой, а также к значительному снижению создаваемых ультразвуковым генератором электромагнитных помех, что в конечном итоге позволяет использовать названный генератор для тестирования высокочастотных датчиков в качестве генератора эталонных акустических импульсов. 1. Ультразвуковой генератор, содержащий источник питания, ограничительный резистор, формирующую электрическую цепь, включающую накопительный конденсатор и коммутирующее устройство, и пьезопреобразователь с токопроводами, подключенными к названной цепи, отличающийся тем, что элементы формирующей цепи и пьезопреобразователь конструктивно выполнены в виде единой осесимметричной конструкции с тремя изолированными друг от друга токопроводящими оболочками, в которой накопительный конденсатор выполнен в виде тонкостенного цилиндра, обкладками которого служат перекрывающиеся части средней и внутренней оболочек, пьезопреобразователь размещен у одного из торцов накопительного конденсатора и снабжен демпфером, расположенным во внутренней полости указанного конденсатора, внешняя оболочка выполнена замкнутой и служит обратным токопроводом пьезопреобразователя, прямым токопроводом которого служит одна из обкладок конденсатора, при этом коммутирующее устройство соединено с другой обкладкой конденсатора и внешней оболочкой и размещено внутри нее. Изобретение относится к эхолокации и может быть использовано в различных ультразвуковых устройствах, где в качестве приемоизлучателя используется пьезоэлектрический преобразователь (ПЭП), а именно в средствах неразрушающего контроля, в частности в ультразвуковых дефектоскопах и толщиномерах, в медицине - в ультразвуковых сканерах, в навигации - в эхолотах, гидролокаторах
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве генератора эталонных акустических импульсов при тестировании высокочастотной датчиковой аппаратуры
