Изготовление ультразвукового генератора на транзисторах

Изготовление ультразвукового генератора на транзисторах.
Опыты с магнитострикционным излучателем.
Костенецкий Владислав.
Магнитостри́кция (от лат. Strictio — сжатие, натягивание) — явление, заключающееся
в том, что при изменении состояния намагниченности тела его объем и линейные размеры
изменяются.
О том, как происходят колебания.
Пусть один из концов свободного (незакрепленного) стержня длиной L под действием
вынуждающей силы совершает колебания по гармоническому закону
a1  A sin( t )
где a1 - смещение торца,
A - амплитуда колебания,
ω = 2πf - круговая частота,
t - время.
Тогда по стержню побежит упругая синусоидальная волна, которая, дойдя до второго
конца стержня, отразится без изменения фазы и вернется к первому. Если пренебречь
потерями, то первый конец стержня под действием отраженной волны будет участвовать в
колебательном движении
 2L 
a2  A sin   t 

c 

где с - скорость звуковой волны в стержне,
L – длина стержня.
Результирующее колебание этого конца стержня, происходящее под действием
вынуждающей силы и силы, развиваемой отраженной волной, описывается формулой
 L 
 L
a  a1  a2  2 A cos 
 sin   t   (1)
 c 
 c
В
результате
интерференции
волны,
падающей на правый конец стержня, и волны,
отраженной от него, устанавливается стоячая
волна, узлы и пучности которой обозначены
соответственно буквами у и п (рис.1)
Стрелками показаны направления колебаний
в различных участках стержня вдоль оси Х для
того момента времени, для которого сплошной
линией построен график под стержнем.
Рис. 1. Схематическое изображение
Таким образом, конец стержня совершает
гармоническое
колебание
с
амплитудой
стоячей волны
2 A cosc  . Резонанс наступает при таких
частотах ω, при которых амплитуда вынужденных колебаний максимальна, т. е. при
выполнении условий
L
 L 
 k , где k = 0, 1, 2,.. Выражая ω через f, из последней формулы
cos
  L или
c
 c 
kc
получаем f 
, k = 0, 1, 2 ...
2L
Частоты, определяемые этой формулой, называются собственными частотами
свободного стержня. При k = 0 собственная частота стержня равна нулю (стержень
покоится). Собственная частота при k = 1
f 
kc
(2)
2L
называется основной собственной частотой. Остальные собственные, частоты принято
называть гармониками соответствующего порядка. Если говорят, что вибратор возбуждается
3c
на третьей гармонике, то под этим подразумевается, что он колеблется с частотой f 
2L
Ультразвуковой генератор на транзисторах.
Рис. 2. Принципиальная схема ультразвукового генератора низкой
частоты на транзисторах.
Прибор собран на низкочастотных транзисторах и состоит из двух каскадов:
задающего генератора на маломощном транзисторе МП26 и усилителя мощности,
собранного на транзисторе П210. Схема УВЧ генератора приведена на рисунке 2.
Задающий каскад представляет собой автогенератор с индуктивной обратной связью.
Частота генератора определяется параметрами колебательного контура, состоящего из
катушки индуктивности L1 (первичной обмотки высокочастотного трансформатора Тр1) и
конденсатора С1. Плавная настройка генератора на нужную частоту осуществляется
изменением индуктивности контурной катушки - перемещением внутри обмоток
трансформатора ферритового сердечника. Обмотка L3 трансформатора является катушкой
обратной связи, с которой переменное напряжение через ячейку R1, С2 .подается на базу
транзистора Tр1. 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 VT1 осуществляется ячейкой R3, С3.
Напряжение высокой частоты, вырабатываемое автогенератором, посредством
катушки L2 и конденсатора С4 подается на базу транзистора VT2. Нагрузкой этого
транзистора служит первичная обмотка выходного трансформатора Тр2. Конденсатор С5
предназначен для оптимального согласования
магнитострикционного излучателя МСИ с выходом
генератора.
Высокочастотный
трансформатор
Tр1
содержит 100 витков в первичной и 36 + 25 витков
во вторичной обмотке. Выходной трансформатор
Tр2 содержит по 100 витков в каждой обмотке. Все
обмотки намотаны в одну сторону.
На рис. 3 приведены чертежи каркасов
катушек генератора.
О магнитострикционном излучателе (МСИ).
Рис. 3 Чертежи каркасов
высокочастотного (а) и выходного
трансформаторов (б).
Внутри каркаса обмотки возбуждения с
помощью резинового колечка посередине мягко
закреплен ферритовый стержень. Это сделано для того, чтобы посередине стержня был узел,
а на концах пучности. Так как на стержне укладывается две четверти длины волны, то длина
волны будет равняться двум длинам стержня, как видно в формуле (2) длина волны равна
2L .
Обмотка излучателя содержит 100 витков провода ПЭЛ-0.9, намотанных виток к витку.
Под действием переменного магнитного поля, возникающего из-за наличия колебаний тока в
обмотке излучателя сердечник периодически изменяет свою длину. Колебания тока
вызывает генератор низкой частоты
Подавая на обмотку переменное напряжение произвольной частоты, мы не получим
нужной интенсивности ультразвука (магнитострикционный эффект очень невелик:
относительное удлинение стержня – величина порядка 10-5 м). Однако, при совпадении
частоты переменного тока в катушке с собственной частотой излучателя, амплитуда
колебаний вибратора значительно увеличивается.
Такое увеличение амплитуды можно зафиксировать пальцем руки, если слегка
надавливать им на свободный конец стержня.
У меня изготовлено два МСИ разной длины. Длинный примерно7,4 см и короткий ~4,4
см длиной. Они оба возбуждаются на частоте 16,25 кГц. Настроить ее точно можно внешним
магнитом. Далее про систему настройки будет рассказано подробнее.
Как добиться совпадения частот?
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 тока). Чтобы этого не произошло, рядом со
стержнем располагают постоянные магниты (у меня это
керамические 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.
Максимальная частота короткого колебаний вибратора
примерно 22 (кГц). Считается, что человек слышит звуковые
колебания с частотами в диапазоне от 20 до 20 103 Гц, при этом как
Рис. 4.
Магнитострикционный
излучатель
оказалось, при измерении частотомером, частоты порядка 16-17 кГц заставляют моих
одноклассников чувствовать дискомфорт.
Магнитострикционный излучатель изображен на рисунке 4.
Особенности настройки конструкции
Конструкция имеет систему плавного изменения частоты в небольших пределах
(примерно 300 Гц). Сначала частота устанавливается ниже резонансной передвижением
сердечника катушки L1. Затем к сердечнику катушки L1 прикрепляется небольшой магнит.
Благодаря ему сердечник намагничивается, его магнитная проницаемость уменьшается и
частота становится выше резонансной. В таком положении фиксируется сердечник и магнит.
Еще одним внешним магнитом я плавно добиваюсь резонансной частоты. Изменяя
расстояние между внешним магнитом и сердечником меняем суммарную намагниченность
последнего. Этим магнитом можно очень плавно менять частоту генерации (с точностью до
Рис. 5 Фотография расположения элементов конструкции внутри корпуса
0,5 Гц). На рис. 5 приведена фотография расположения элементов конструкции внутри
корпуса. Черная ребристая конструкция вверху фотографии – радиатор, на котором
располагается силовой транзистор.
На рис. 6 приведена фотография установки в сборе. В качестве источника тока используется
БП от старого компьютера.
Рис. 6. Фотография установки с одним подключенным МСИ.
Опыты с МСИ.
Пластинка.
МСИ устанавливается в вертикальное положение, к концу стержня прижимается
легкая металлическая пластинка. При возбуждении вибратора на одной из собственных
частот, эта пластинка начинает дребезжать. Этот опыт наглядно показывает, что стержни
МСИ действительно совершают колебания.
Опыт с шариком.
В штативе закреплена прозрачная трубка, диаметром чуть больше диаметра стержня,
и длиной 35 см. Эта трубка одета на МСИ. В ней находится металлический шарик. После
запуска установки шарик начинает подпрыгивать под влиянием внешней периодической
силы. Причем иногда достигает наибольшей высоты, которая порядка 45 см. Это происходит
из-за того, что фаза колебаний шарика и стержня вполне могут не совпадать. Также при
самих колебаниях шарика, он задевает за стенки трубки, что мешает ему все время
«подпрыгивать» на максимальную высоту.
Опыт с песком.
Если МСИ приложить под углом (около 45º) на рассыпанный по бумаге тонким слоем
песок, то можно будет увидеть на этом песке концентрические кольца, с центром в точке
прикосновения вибратора. Это интерференционная картина, созданная волной, падающей на
бумагу и отраженной от краев листа (в фазе, т.к. воздух акустически мене плотная среда).
Я пробовал по-разному проводить этот опыт. Брал металлическую ванночку для
наблюдения интерференции и дифракции волн, сверху клал листы бумаги. Затем проводил
опыт. Под листы бумаги подкладывал картон. Пробовал с ним. Еще между картоном и
ванночкой прокладывал поролон. Но лучше всего у меня получилось видно
интерференционную картину так. Снизу металлическая коробка из-под конфет, сверху один
лист картона для рисования, а сверху песок очень тонким слоем. На рис. 7 приведена
фотография этого опыта. На рис. 8 приведена фотография интерференционной картины от
двух излучателей
Рис.7. Фотография опыта с одним
излучателем.
Рис.8. Интерференционная картина от двух
излучателей
А на этой фотографии показано,
что получается при последовательном
кратковременном касании МСИ в
нескольких местах бумаги.
Литература.
В.В.Майер. Простые опыты с ультразвуком. Москва, Главная редакция физикоматематической литературы, 1978 г.