デモンストレーション超音波インストール。スキーム、説明

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超音波設置のデモンストレーション。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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この記事では、超音波を使った実験を実証するために設計された最も単純な超音波セットアップの設計について説明します。セットアップは、超音波振動の発生器、エミッター、集束装置、および超音波振動の特性と使用方法を説明するさまざまな実験を実証することを可能にするいくつかの補助装置で構成されています。

最も単純な超音波設定を使用して、さまざまな媒体での超音波の伝播、XNUMXつの媒体の境界での超音波の反射と屈折、およびさまざまな物質での超音波の吸収を示すことができます。さらに、オイルエマルジョンの生成、汚染された部品の洗浄、超音波溶接、超音波液体噴水、超音波振動の生物学的効果を示すことができます。

このような設備の製造は、高校生による学校のワークショップで行うことができます。

超音波実験を実証するための設備は、電子発生器（図1）、電気振動を超音波振動に変換する水晶変換器、および超音波を集束させるためのレンズ容器（図2）で構成されています。発電機ランプのアノード回路には（整流器なしで）交流が直接供給されるため、電源には電源変圧器 Tr1 のみが含まれます。このような簡素化はデバイスの動作に悪影響を及ぼさず、同時にそのレイアウトと設計を大幅に簡素化します。

発電機は、三極真空管回路に従って接続された6つの1PZSランプのプッシュプル回路に従って作られています（ランプのスクリーングリッドはアノードに接続されています）。発生する発振周波数を決定する回路L2C2はランプのアノード回路に含まれ、フィードバックコイルL1はグリッド回路に含まれます。小さな抵抗RXNUMXがカソード回路に含まれており、これがランプのモードを大きく左右します。

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図1。発電機の概略図

高周波信号は、結合コンデンサC4およびC5を介して水晶共振器に供給されます。クォーツは密閉されたクォーツホルダー（図2）に配置され、長さ1mのワイヤーでジェネレーターに接続されます。

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米。 2.レンズ容器と石英ホルダー

考慮された詳細に加えて、回路にはコンデンサC1とC3、およびアノード電圧がランプのアノードに印加されるインダクタDr1もあります。このインダクタは、コンデンサC1と電源トランスのターン間容量を介して高周波信号が短絡するのを防ぎます。

発電機の主な自家製部品は、フラットスパイラルの形で作られたコイルL1とL2です。それらの製造のために、木製のテンプレートを切り抜く必要があります。テンプレートの頬となる幅25cmのボードから10つの正方形を切り取ります。各チークの中央には、直径15〜3 mmの金属棒用の穴を開け、一方のチークには、コイル出力を取り付けるために幅XNUMXmmの穴または溝を開ける必要があります。両端の金属棒に糸を切り、XNUMX本のナットの間に巻き線の直径に等しい距離で頬を置きます。これにより、テンプレートの製造が完了したと見なし、コイルの巻き取りに進むことができます。

金属棒の一端を万力で固定し、ワイヤーの最初の（内側の）巻きを頬の間に置き、その後ナットを締めて巻き取りを続けます。コイルL1は16ターン、コイルL2は直径12mmの銅線が3ターンあります。コイルL1とL2は別々に作られ、テキスタイルまたはプラスチックで作られたクロスピース上に上下に配置されます（図3）。コイルの強度を高めるために、弓のこやヤスリで十字架にくぼみを切ります。コイルを固定するには、コイルのXNUMXつをXNUMX番目の十字（くぼみなし）で上から押し、もうXNUMXつを発電機の金属シャーシに取り付けられた有機ガラス、ゲティナック、またはプラスチックのプレートに直接配置する必要があります。

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図。 3

高周波インダクタは、PELSHO-30mmワイヤを使用して直径0,25mmのセラミックまたはプラスチックフレームに巻かれています。巻き取りは、それぞれ100ターンのセクションでまとめて実行されます。合計で、スロットルは300〜500回転します。この設計では、Sh-33プレートのコア上に作られた自作の電源トランスが使用されています。セットの厚さは33mmです。ネットワーク巻線には、544ターンのPEL-0,45ワイヤが含まれています。ネットワーク巻線は、127Vの電圧のネットワークに接続するように設計されています。220Vの電圧のネットワークを使用する場合、巻線Iには944ターンのPEL-0,35ワイヤが含まれている必要があります。ステップアップ巻線には2980ターンのPEL-0,14ワイヤがあり、ランプのフィラメント巻線には30ターンのPEL-1,0ワイヤがあります。このような変圧器は、主巻線、ランプのフィラメント巻線、および昇圧巻線のみを使用するELS-2ブランドの電源変圧器、または少なくとも70VAの電力を持つ任意の電源変圧器に置き換えることができます。 470PZSランプのアノードに6Vの負荷を提供するステップアップ巻線を備えています。

クォーツホルダーは図4の図によるとブロンズ製です。 3.この場合、直径0,2 mmのドリルを使用して、L字型の穴を開けてワイヤーlを引き出します。ケースにゴム製のリングeを挿入し、クォーツのクッションと隔離を行います。リングは通常の鉛筆消しゴムから切り取ることができます。コンタクトリングbは厚さXNUMXmmの真ちゅう箔から切り出されています。このリングには、ワイヤーをはんだ付けするためのタブがあります。ワイヤlとワイヤは両方とも良好な絶縁性を備えている必要があります。ワイヤーとサポートフランジOにはんだ付けされています。ワイヤーを一緒にねじることはお勧めしません。

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図4。クォーツホルダー

レンズ容器は、シリンダーeと超音波レンズbで構成されています（図5）。シリンダーは、直径3mmの丸い木製のテンプレート上の厚さ19mmのプレキシガラスプレートから曲げられます。

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図5。レンズ容器

プレートを炎上で柔らかくなるまで加熱し、パターンに従って曲げ、酢のエッセンスで接着します。接着されたシリンダーは糸で結ばれ、6時間乾燥させられます。その後、シリンダーの端をサンドペーパーに合わせ、ネジ山を外します。超音波レンズbを製造するには、ボールベアリングから直径18〜22 mmの鋼球から特殊な装置（図6）を作成する必要があります。ボールを赤熱に加熱し、ゆっくりと冷却することにより、ボールを焼きなましする必要があります。その後、ボールに直径XNUMXmmの穴をあけ、めねじを切ります。このボールをボール盤のチャックに固定するには、ロッドの一端にねじ山のあるロッドを作る必要があります。

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図6。フィクスチャ

ボールがねじ込まれたロッドがマシンチャックに固定され、マシンの電源が中速でオンになり、ボールを厚さ10〜12 mmの有機ガラスプレートに押し込むことで、必要な球形のくぼみが得られます。ボールがその半径に等しい距離まで深くなると、ボール盤の電源がオフになり、ボールを押すのを止めずに、水で冷却されます。その結果、有機ガラス板に超音波レンズの球面凹みが得られる。凹みのある板から弓のこで一辺36mmの正方形を切り出し、窪みの周りに形成された環状突起をきめの細かいサンドペーパーで平らにし、底が0,2mmになるように板を下から削ります。くぼみの中央に残ります。次に、サンドペーパーで引っかいた場所を透明になるまで研磨し、角を旋盤でカットして、球形のくぼみがプレートの中央に残るようにします。プレートの下側から、レンズをクォーツホルダーの中心に置くために、高さ3 mm、直径23,8mmの突起を作る必要があります。

シリンダーの一端を酢酸エッセンスまたはジクロロエタンで十分に湿らせた後、シリンダーの中心軸がレンズの中心を通る軸と一致するように超音波レンズに接着します。乾燥後、ネジを調整するために接着された容器に10つの穴が開けられます。これらのネジは、長さ12〜1,5 cm、直径2〜1 mmの通常のワイヤーでできており、絶縁材料のハンドルが付いている特別なドライバーを使用して回転させるのが最適です。これらの部品の製造と発電機の設置後、デバイスのセットアップを開始できます。これは通常、L2C4回路を水晶の固有振動数と共振するように調整することです。（図XNUMX）の石英板は流水で石鹸で洗い、乾燥させてください。コンタクトリングbは上からきれいに輝いています。接触リングの上に石英プレートを注意深く置き、プレートの端に変圧器油を数滴落とした後、カバーdをねじ込んで石英プレートを押します。超音波振動を示すために、カバーのくぼみaとdは変圧器油または灯油で満たされています。電源を入れてXNUMX分間ウォームアップした後、チューニングノブを回して水晶振動子の振動を共振させます。共振の瞬間に、蓋のくぼみに注がれた液体の最大の膨潤が観察されます。ジェネレーターをセットアップした後、実験のデモンストレーションを開始できます。

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発電機の設計。

最も効果的なデモンストレーションの 2 つは、超音波振動の作用下で液体の噴水を生成することです。液体の噴水を得るには、「レンズ」容器の底部と石英プレートの間に気泡が溜まらないように、「レンズ」容器を石英ホルダーの上に置く必要があります。次に、通常の飲料水のレンズ容器に注ぐ必要があり、発生器の電源を入れてから30分後に、超音波噴水が水の表面に現れます。噴水の高さは、コンデンサ C40 を使用して発電機を事前に調整した後、調整ネジを使用して変更できます。システム全体を正しく設定すると、高さ7〜XNUMX cmの噴水を得ることができます（図XNUMX）。

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図7。超音波噴水。

噴水の出現と同時に、特徴的なヒス音を伴うキャビテーションプロセスの結果である水霧が現れます。水の代わりに変圧器油を「レンズ」容器に注ぐと、噴水の高さが著しく増加します。噴水の連続観察は、「レンズ」容器内の液面が 20 mm に下がるまで実行できます。噴水を長期間観察するには、噴水の液体が内壁に沿って逆流できるガラス管 B で噴水を保護する必要があります。

液体に超音波振動を与えると、液体中に微細な気泡が発生し（キャビテーション現象）、気泡発生部位の圧力が大幅に上昇します。この現象は、液体中の物質の粒子や生物の破壊につながります。小魚やミジンコを水の入った「レンズ」容器に入れると、1〜2分間超音波を照射すると死んでしまいます。水が入った「レンズ付き」容器をスクリーンに投影することで、大きな講堂でこの実験のすべてのプロセスを連続的に観察することができます（図8）。

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図8。超音波振動の生物学的効果。

説明したデバイスを使用して、超音波を使用して小さな部品を汚染から除去する方法を示すことができます。これを行うために、グリースで十分に潤滑された小さな部品（時計の歯車、金属片など）が液体噴水の底に置かれます。噴水は大幅に減少し、完全に停止する可能性がありますが、汚染された部分は徐々に清掃されます。なお、部品の超音波洗浄には、より強力な発電機を使用する必要があるため、汚染された部品全体を短時間で洗浄することは不可能であり、数本の歯の洗浄に限定する必要があります。

キャビテーション現象を利用して油乳化物を得ることができます。これを行うには、水を「レンズ」容器に注ぎ、その上に少量の変圧器油を加えます。乳剤の飛散を防ぐため、内容物の入ったレンズ容器をガラスで覆う必要があります。発電機の電源を入れると、水と油の噴水が形成されます。 1～2分後レンズ容器内で照射すると、安定した乳状の乳濁液が形成されます。

水中での超音波振動の伝播を可視化することができ、超音波のいくつかの特性を明確に示すことができることが知られています。これには、底が透明で均一で、一辺の高さが5〜6 cm以上のできるだけ大きな浴槽が必要です。浴槽は、透明な底全体を下から照らすことができるように、デモンストレーションテーブルの開口部の上に配置されます。。照明には、調査中のプロセスを講堂の天井に投影するための点光源として、9ボルトの自動車用電球を使用するのが良いでしょう（図XNUMX）。

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図9。超音波の屈折と反射。

低電力の通常の電球も使用できます。石英ホルダー内の石英板が垂直に置かれたときに完全に浸るように水を浴槽に注ぎます。その後、発生器の電源を入れ、石英ホルダーを垂直位置から傾斜位置に移動して、講堂の天井に投影された超音波ビームの伝播を観察します。この場合、石英ホルダーは、それに接続されているワイヤーlとcで保持することも、特別なホルダーに事前に固定することもでき、これを使用して超音波ビームの入射角を垂直方向と垂直方向でスムーズに変更できます。それぞれ水平面。超音波ビームは、水中での超音波振動の伝播に沿って位置する光点の形で観察されます。超音波ビームの伝播経路に障害物を置くことで、ビームの反射や屈折を観察することができます。

説明されているセットアップでは、他の実験が可能です。その性質は、調査中のプログラムと教室の設備によって異なります。チタン酸バリウムプレート、および一般に、0,5 MHz〜4,5MHzの周波数で圧電効果を持つプレートを発電機の負荷として含めることができます。他の周波数のプレートがある場合は、インダクタの巻数を変更する必要があります（0,5 MHz未満の周波数では増加し、4,5 MHzを超える周波数では減少します）。発振回路とフィードバックコイルを15kHzの周波数に変更する場合、クォーツの代わりに60VA以下の電力で磁歪コンバーターをオンにすることができます。

著者: V. クラスニュク; 出版物: N. ボルシャコフ、rf.atnn.ru

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