Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2007 №2

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Простые опыты с ультразвуком

_{( [e-mail] )}

Физик — это не профессия, физик — это диагноз.

Что такое ультразвук?

Ультразвук — не слышимые человеческим ухом упругие волны, частота которых превышает 20 kHz.

Ультразвук содержится в шуме ветра и моря, издается и воспринимается рядом животных (летучие мыши, рыбы, насекомые и др.), присутствует в шуме машин. Применяется в практике физических, физико-химических и биологических исследований, а также в технике для целей дефектоскопии, навигации, подводной сварки, для ускорения некоторых химико-технологических процессов, получения эмульсий, сушки, очистки, сварки и других процессов, и в медицине — для диагностики и лечения.

Магнитострикция.

Явление магнитострикции впервые было обнаружено ученым Джоулем в 1847 году.

Проведем небольшой опыт:

Рис. 1.

_{1 — деревянная палочка; 2 — ферритовый стержень}

Намотаем на ферритовый стержень диаметром 8 мм и длиной 50-160 мм обмотку (можно в навал), содержащую 200–300 витков провода ПЭЛ 0.2. Выводы обмотки подключим к входу любого чувствительного усилителя низкой частоты (я использовал свой усилитель для компьютера). Придерживая один конец стержня 2, по другому слегка ударим деревянной палочкой 1: при этом в динамике должен произойти довольно громкий щелчок, что свидетельствует о том, что по катушке прошел импульсный ток, вызванный изменением (появлением) магнитного поля вокруг нее во время удара (т. е. деформации) стержня.

Появление магнитного поля при деформации ферромагнетика называется обратным магнитострикционным эффектом.

Прямой магнитострикционный эффект — изменение размеров ферромагнетика под действием внешнего магнитного поля (именно это свойство позволяет применять для получения ультразвука

Мой магнитострикционный излучатель

Так как механическая прочность феррита невысока, максимальная интенсивность ультразвука, которую можно будет получить от излучателя, не превысит 2–4 Вт/см², но и эта интенсивность позволяет поставить многие интересные опыты.

Как же устроен магнитострикционный излучатель?

_{1 — трубка из неметаллического материала; 2 — каркас обмотки возбуждения; 3 — обмотка возбуждения; 4 — ферритовый стержень; 5 — резиновое колечко; 6 — кольцевые керамические магниты}

Обмотка возбуждения содержит около 100 витков провода ПЭЛ-1.0, намотанных виток к витку (два слоя).

Обмотку следует заизолировать.

Магниты - кольцевые керамические, диаметром 35 мм и толщиной 7 мм (можно и другие — их количество необходимо подбирать по максимуму интенсивности ультразвука).

Подавая на обмотку переменное напряжение произвольной частоты, мы не получим нужной интенсивности ультразвука (магнитострикционный эффект очень невелик: относительное удлинение стержня — величина порядка 10^{– 5}).

Выручает явление резонанса: при совпадении частоты переменного тока в катушке с собственной частотой излучателя амплитуда колебаний значительно увеличивается (если положить на торец стержня безопасную бритву, то она начнет громко дребезжать — хороший индикатор настройки излучателя в резонанс).

Зачем нужны магниты?

За период колебания тока синусоида проходит точку с нулевым отклонением 2 раза, т. е. магнитное поле вокруг катушки появляется и исчезает 2 раза. Изменение ферритовым стержнем размеров не зависит от направления поля, а зависит только от его величины, следовательно совершать колебания стержень будет в 2 раза чаще (с двойной частотой входного тока). Чтобы этого не произошло, рядом со стержнем располагают постоянные магниты. При совпадении направления магнитного поля катушки с направлением поля магнитов суммарное поле (при правильном подборе магнитов) усилится в 2 раза, а при смене направления на противоположное — уменьшится до 0, т. е. за период колебания тока поле будет появляться и исчезать 1 раз: частота колебаний стержня станет равной частоте тока в катушке, при этом амплитуда колебаний возрастет почти вдвое.

Схема ультразвукового генератора

Принципиальная схема генератора изображена на рисунке:

Радиодетали: диод Д1 типа Д247, транзистор Т1 типа МП41 (МП42), транзистор Т2 типа П4 (П210); конденсаторы: С1 (500 мкФх30 В), С2 (0,047 мкФ), С3 = С5 = С6 (0,1 мкФ), С4 (5 мкФх20 В); резисторы: R1 (5,1 кОм), R2 = R4 (2,7 кОм), R3 (64 Ом), R5 (270 Ом).

Прибор собран на низкочастотных транзисторах и состоит из двух каскадов: задающего генератора на маломощном транзисторе МП-41 или 42 и усилителя, собранного на транзисторе П4 или П210 (заменить его на более доступный кремниевый пока не удалось).

Задающий каскад представляет собой автогенератор с индуктивной обратной связью. Частота генератора определяется параметрами колебательного контура, состоящего из катушки индуктивности L1 (первичной обмотки высокочастотного трансформатора Тр2) и конденсатора С2.

Плавная настройка генератора на нужную частоту осуществляется перемещением внутри обмоток трансформатора ферритового сердечника (изменением индуктивности контурной катушки).

Обмотка L3 трансформатора является катушкой обратной связи, с которой переменное напряжение через ячейку R2, С3 подается на базу транзистора Т1. Для самовозбуждения генератора необходимо, чтобы обратная связь была положительной.

Режим работы транзисторов задается отрицательным автоматическим смещением на их базах, которое осуществляется делителями напряжения R1, R2 и R4, R5.

Температурная стабилизация транзистора Т1 осуществляется ячейкой R3, С4.

Напряжение высокой частоты, вырабатываемое автогенератором, посредством катушки L2 и конденсатора С5 подается на базу транзистора Т2. Нагрузкой этого транзистора служит первичная обмотка выходного трансформатора Тр3. Конденсатор С6 предназначен для оптимального согласования магнитострикционного излучателя МСИ с выходом генератора.

Генератор питается от выпрямителя, состоящего из силового трансформатора Тр1, диода D1 и электролитического конденсатора С1. Переключатель В2 служит для подачи на генератор напряжений 10 и 20 В.Силовой трансформатор через предохранитель Пр1, рассчитанный на ток 0,5 А, включается в осветительную сеть напряжением 220 В. Включателем В1 подается напряжение на генератор, при этом загорается сигнальная лампочка Л1.