Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2007 №2

Самодельные детали

Основными самодельными деталями генератора являются трансформаторы.

Высокочастотный трансформатор Тр2 намотан на круглом каркасе, изготовленном из подходящего изоляционного материала по чертежу, представленному на рисунке. Отверстия в одной из щек каркаса, в которых нарезана резьба под болты М4, предназначены для крепления трансформатора на шасси генератора.

Первичная обмотка L1 трансформатора содержит две одинаковые секции по 100 витков в каждой; обмотки L2 и L3 содержат 36 и 25 витков соответственно. Все обмотки намотаны в одну сторону проводом ПЭЛ 0,51 и должны быть надежно изолированы тонкой бумагой друг от друга

Выходной трансформатор Тр3 можно намотать на Ш-образном сердечнике сечением 2–3 см² или на ферритовом стерженьке диаметром 8 мм и длиной 40 мм (смотри рис.). Первичная I и вторичная II обмотки трансформатора содержат по 100 витков провода ПЭЛ 0,51.Между обмотками необходимо проложить изолирующую бумажную прокладку.

Трансформатор Тр1 проще всего изготовить из фабричного силового трансформатора к ламповому приемнику, перемотав накальную обмотку.

Ультразвуковая приставка к УНЧ мощностью не менее 2 Вт.

Если не удалось достать мощный транзистор для ультразвукового генератора, можно на весьма доступном маломощном транзисторе собрать простую приставку, превращающую усилитель низкой частоты в ультразвуковой генератор:

Радиодетали: транзистор Т1 типа П401, диод D1 типа Д7Ж; резисторы: R1 (3,9 кОм), R2 (11 кОм), R3 (470 кОм), R4 (2,2 кОм), R5 (5600 м); конденсаторы: С1 (10,0 мкФх450 В), С2 (2400 нФ), СЗ (2000 нФ), С4 (0,1 мкФ).

Принципиальная схема установки для получения ультразвука изображена на рисунке. На резисторе R1, диоде D1 и конденсаторе С1 собран выпрямитель с фильтром.

В исходном состоянии при подаче напряжения питания транзистор Т1, работающий в лавинном режиме, заперт. От выпрямителя через резисторы R2 и R3 заряжается конденсатор С2. Когда напряжение на нем станет равно напряжению включения транзистора, конденсатор разряжается через резистор R5 и переход эмиттер — коллектор транзистора. Напряжение на конденсаторе уменьшается до напряжения запирания транзистора, и далее процесс повторяется вновь. При этом на конденсаторе появляется переменное пилообразное напряжение, частоту которого в определенных пределах можно регулировать переменным резистором R3.

Через разделительный конденсатор С3 пилообразное напряжение поступает на вход усилителя. К выходу Гр усилителя подключен магнитострикционный излучатель МСИ.

Для лучшего согласования излучателя с выходом усилителя (т. е. для повышения интенсивности ультразвуковых колебаний вибратора) обмотку возбуждения можно зашунтировать конденсатором С4.

Порядок работы с приставкой достаточно прост. Соберите по приведенной выше схеме установку и подайте питание на приставку и усилитель. Далее переменным резистором изменяйте частоту колебании, настраивая приставку в резонанс с вибратором магнитострикционного излучателя. При этом, если на торце вибратора находится лезвие бритвы, должно наблюдаться его дребезжание.

Определение частоты ультразвука и калибровка генератора.

Резонансную частоту ультразвуковых колебаний излучателя можно рассчитать, зная длину ферритового стержня.

При резонансе в стержне устанавливается стоячая волна, при этом в длину стержня укладывается целое число полуволн, т. е. за время полного периода Т(с) колебаний волна в феррите проходит расстояние L(см), равное удвоенной длине стержня I(см): L = 2•I.

Зная скорость распространения звука в феррите V ~ 5,32•(10⁵)(см/с) и длину I, можно рассчитать все собственные частоты стержня Fn(Гц) = n/Т =n•V/L =n•V/(2•I)/ Fn(кГц) = (10^{– 3})•n•V/(2•I).

Пример расчета:

Если I = 10 см, то F_n(кГц) = (10^{– 3})•n•5,32•(10⁵)/(2•I) = n•532/(9•I) = n•266/1 = n•266/10 = n•26,6(кГц) при n = 1, 2, 3…., т. е. резонансные частоты кратны 26,6 кГц.

Мы будем приводить стержень в состояние резонанса на основной собственной частоте (n = 1).

Имея набор ферритовых стержней разной длины с определенной резонансной частотой, мы легко можем проградуировать ультразвуковой генератор, делая пометки на выдвижном сердечнике трансформатора задающего генератора.

Опыты с ультразвуковым генератором

Начинать работу с прибором нужно с простейших опытов.

Несколько таких опытов описано ниже.

Опыт 1: Обнаружение колебаний излучателя

При совпадении частоты генератора с основной собственной частотой вибратора в последнем устанавливается стоячая ультразвуковая волна и на всей длине вибратора укладывается половина длины волны звука в феррите. Стоячая волна в свободном стержне образуется благодаря интерференции бегущих волн, отраженных от торцов стержня. Коэффициент отражения звуковой волны на границе твердое вещество — газ равно практически единице.

1 — Пальцами возьмитесь за конец вибратора, возбужденного на основной частоте. Вы почувствуете, что вибратор стал, «скользким». Сожмите пальцы (или прижмите один из них к торцу вибратора) и у вас возникнет ощущение легкого ожога. Выключите ультразвук. Все эти ощущения немедленно исчезают. Перемещайте пальцы к середине вибратора. Тогда ощущение «скользкости» вибратора уменьшится, а когда вы дойдете до его середины, оно вообще пропадет. Это говорит о том, что амплитуда колебаний вибратора постепенно уменьшается к его середине. Из опыта следует, что в середине вибратора действительно находится узел, а по краям — пучности смещений, т. е. в вибраторе устанавливается стоячая волна.

2 — Положите на торец вибратора лезвие безопасной бритвы — оно будет громко дребезжать.

3 — Капните каплю воды на торец ферритового вибратора. Настройте генератор на резонансную частоту ферритового вибратора. Капля мгновенно распылится.

Очевидно, наблюдаемые явления объясняются просто тем, что конец вибратора совершает колебания с большой частотой и заметной амплитудой.

Опыт 2: Подскакивающий шарик

Магнитострикционный излучатель с ферритовым вибратором поставьте вертикально на стол и подключите его обмотку возбуждения к выходу ультразвукового генератора. Над вибратором в лапке штатива закрепите стеклянную трубку внутренним диаметром 5–6 мм и длиной примерно 30 см, нижний конец трубки должен находиться на расстоянии 0,5–1 мм от торца вибратора. В трубку на вибратор поместите стальной шарик диаметром около 3 мм.

Включите генератор и выдвижением надстроечного сердечника из каркаса высокочастотного трансформатора постепенно повышайте частоту ультразвука. Как только частота генератора совпадет с основной собственной частотой вибратора, шарик на торце начнет подпрыгивать.

Это свидетельствует о значительном увеличении амплитуды колебаний вибратора при резонансе. Высота, на которую поднимется шарик после нескольких ударов его о торец вибратора, нередко превышает 30 см, так что шарик — если вы окажетесь невнимательны — может просто выскочить из трубки.