За допомогою найпростішої ультразвукової установки можна показати поширення ультразвуку в різних середовищах, відбиття і заломлення ультразвуку на межі двох середовищ, поглинання ультразвуку в різних речовинах. Крім цього є можливість показати одержання масляних емульсій, очищення забруднених деталей, ультразвукову зварку, рідинний ультразвуковий фонтан, біологічний вплив ультразвукових коливань.
Виготовлення подібної установки може бути здійснено в шкільних майстернях силами учнів старших класів.
Установка для демонстрації дослідів з ультразвуком складається з електронного генератора (рис.1), кварцового перетворювача електричних коливань в ультразвукові та лінзового посудини (рис.2) для фокусування ультразвуку. В блок живлення входить тільки силовий трансформатор Тр1, так як анодні ланцюги ламп генератора харчуються безпосередньо змінним струмом (без випрямляча). Таке спрощення не позначається негативно на роботі приладу і в той же час помітно спрощує його схему та конструкцію.
Електронний генератор виконаний за двотактною схемою на двох лампах 6ПЗС, включених по триодной схемою (екранні сітки ламп з'єднані з анодами). В анодні ланцюги ламп включений контур L1C2, що визначає частоту генерованих коливань, а в сіткові ланцюга - котушка зворотного зв'язку L2. У катодні ланцюга включено невеликий опір R1, значною мірою визначає режим ламп.
Рис.1. Принципова схема генератора
Високочастотний сигнал подається на кварцовий резонатор через розділові конденсатори С4 і С5. Кварц розміщується в герметичному кварцедержателе (рис. 2) і з'єднується з генератором проводами довжиною 1 м.
Рис. 2. Лінзовий посудину і кварцедержатель
Крім розглянутих деталей, у схемі є ще конденсатори С1 і С3 а також дросель Др1 через який на аноди ламп подається анодна напруга. Цей дросель запобігає коротке замикання високочастотного сигналу через конденсатор C1, і междувитковую ємність силового трансформатора.
Основними саморобними деталями генератора є котушки L1 і L2, виконані у вигляді плоских спіралей. Для їх виготовлення необхідно випиляти дерев'яний шаблон. З дошки шириною 25 см випилюються два квадрати, які служать щічками шаблону. В центрі кожної щічки слід зробити отвори для металевого стрижня діаметром 10-15 мм, а в одній з щічок вирізати отвір чи канавку шириною 3 мм для кріплення виведення котушки. На металевому стержні з обох кінців нарізають різьбу і між двома гайками розміщують щічки на відстані, що дорівнює діаметру намотують дроту. На цьому виготовлення шаблону можна вважати закінченим і приступити до намотування котушок.
Металевий стрижень одним кінцем затискують в лещатах, між щічками укладають перший (внутрішній) виток дроту, після чого стягують гайки і продовжують намотування. Котушка L1 має 16 витків, а котушка L2-12 витків мідного дроту діаметром 3 мм Котушки L1 і L2 виготовляються окремо, потім розміщуються одна над одною на хрестовині з текстоліту або пластмаси (рис. 3). Для того, щоб надати котушок більшу міцність в хрестовинах ножівкою або напилком випилюються поглиблення. Для закріплення котушок одну з них зверху слід притиснути другий хрестовиною (без заглиблень), а другу покласти прямо на пластину з органічного скла, гетинаксу або пластмаси, укріплену на металевому шасі генератора.
Рис. 3
Дросель високої частоти намотується на керамічному або пластмасовому каркасі діаметром 30 мм проводом марки ПЕЛШО-0,25 мм Намотування ведеться внавал секціями по 100 витків в кожній. Всього дросель має 300-500 витків. У даній конструкції застосований саморобний силовий трансформатор, виконаний на сердечнику з пластин Ш-33, товщина набору 33 мм. Мережева обмотка містить 544 витка дроту ПЕЛ-0,45. Мережева обмотка розрахована на включення в мережу з напругою 127 B. У випадку використання мережі з напругою 220 в обмотка I повинна містити 944 витка дроту ПЕЛ-0,35. Підвищує обмотка має 2980 витків дроту ПЕЛ-0,14 і накальной обмотки ламп - 30 витків дроту ПЕЛ-1,0. Такий трансформатор можна замінити силовим трансформатором марки ЕЛС-2, використовуючи тільки мережеву обмотку, накальную обмотку ламп і підвищує обмотку повністю, або ж будь-яким силовим трансформатором потужністю не менше 70 BA і з підвищувальною обмоткою, що забезпечує при навантаженні 470 B на аноді ламп 6ПЗС.
Кварцедержатель виготовляється з бронзи по кресленню, вміщеного на рис. 4. В корпусі за допомогою свердла діаметром 3 мм просвердлюється Р-образне отвір для виведення проводу л, корпус вставлено гумове кільце е, яке служить для амортизації та ізоляції кварцу. Кільце можна вирізати із звичайної гумки для стирання олівця. Контактне кільце б вирізається з латунної фольги товщиною 0,2 мм. Це кільце має пелюстка м для припаивания дроти. Обидва дроти л і і повинні мати хорошу ізоляцію. Провід і припаюється до опорного флянцу О. Не рекомендується скручувати дроти між собою.
Рис.4. Кварцедержатель
Лінзовий посудина складається з циліндра е та ультразвукової лінзи б (рис.5). Циліндр вигинають пластинки з органічного скла товщиною 3 мм на круглому дерев'яному шаблоні діаметром 19 мм
Рис.5. Лінзовий посудину
Пластину нагрівають над полум'ям до розм'якшення, згинають по шаблону і склеюють оцтовою есенцією. Склеєний циліндр пов'язують нитками і залишають до висихання на дві години. Після цього наждачним папером вирівнюють торцеві кінці циліндра і знімають нитки. Для виготовлення ультразвукової лінзи б потрібно зробити спеціальне пристосування (рис. 6) з сталевої кульки діаметром 18-22 мм від кулькового підшипника. Кулька слід прогріти, нагріваючи його до червоного розжарювання і повільно охолодивши. Після цього в кульці просвердлюють отвір діаметром 6 мм і нарізають внутрішню різьбу. Для закріплення цієї кульки в патроні свердлильного верстата з прута потрібно виготовити стержень з різьбою на одному кінці.
Рис.6. Пристосування
Стрижень з навинченным кулькою затискають в патрон верстата, включають верстат на середніх оборотах і, вдавлюючи кулька в пластину органічного скла товщиною 10 - 12 мм, отримують необхідне сферичне поглиблення. Коли кулька поглибиться на відстань, що дорівнює його радіусу, свердлильний верстат вимикають і, не припиняючи натиску на кульку, охолоджують його водою. В результаті в пластині органічного скла виходить сферичне поглиблення ультразвукової лінзи. З пластини з поглибленням вирізають ножівкою квадрат зі стороною 36 мм, вирівнюють дрібнозернистим наждачним папером утворився навколо поглиблення кільцевий виступ і сточують знизу пластину так, щоб в центрі поглиблення залишилося дно товщиною 0,2 мм. Потім відшліфовують до прозорості подряпані наждачним папером місця і на токарному верстаті обрізають кути так, щоб сферичне поглиблення залишилося в центрі пластини. З нижньої сторони пластини необхідно зробити виступ висотою 3 мм і діаметром 23,8 мм для центрування лінзи на кварцедержателе.
Рясно змочивши оцтовою есенцією або дихлорэтаном один з торцевих кінців циліндра, приклеюють його на ультразвукову лінзу так, щоб центральна вісь циліндра співпадає з віссю, що проходить через центр лінзи. Після висихання склееном посудині просвердлюють три отвори для підлаштування гвинтів. Обертати ці гвинти краще всього за допомогою спеціальної викрутки, виготовленої зі звичайного дроту довжиною 10-12 см і діаметром 1,5-2 мм і забезпеченою ручкою з ізоляційного матеріалу. Після виготовлення зазначених деталей і монтажу генератора можна приступити до налагодження приладу, яке зазвичай зводиться до налаштування контуру L1C2 в резонанс з власною частотою кварцу. Кварцову пластинку (рис.4) слід вимити з милом в проточній воді і висушити. Контактне кільце б зверху зачищають до блиску. Акуратно накладають кварцову пластинку зверху контактного кільця і, капнувши кілька крапель трансформаторного масла на краю пластинки, загвинчують кришку д, так, щоб вона притиснула кварцову пластинку. Для індикації ультразвукових коливань поглиблення а і р на кришці заповнюють трансформаторним маслом або керосином. Після включення живлення і хвилинного прогріву обертають ручку налаштування і добиваються резонансу між коливаннями генератора кварцової пластинки. В момент резонансу спостерігається максимальне спучування рідини, налитої в поглибленні на кришці. Після настройки генератора можна приступити до демонстрації дослідів.
Конструкція генератора.
Одна з найбільш ефективних демонстрацій - це отримання фонтану рідини під дією ультразвукових коливань. Для того щоб отримати фонтан рідини, потрібно "лінзовий" посудину розмістити поверх кварцедержателя так, щоб між дном "лінзового" судини і кварцової пластини не утворилося скупчення повітряних бульбашок. Потім слід налити в лінзовий посудину звичайної питної води і через хвилину після включення генератора на поверхні води з'явиться ультразвукової фонтан. Висоту фонтану можна змінювати за допомогою підлаштування гвинтів, попередньо підстроївши генератор з допомогою конденсатора С2. При правильному налаштуванні всієї системи можна отримати водяний фонтан висотою 30-40 см (рис.7).
Рис.7. Ультразвуковий фонтан.
Одночасно з появою фонтану виникає водяний туман, який є результатом кавітаційного процесу, що супроводжується характерним шипінням. Якщо в "лінзовий" посудину замість води налити трансформаторного масла, то фонтан по висоті помітно збільшується. Безперервне спостереження фонтану можна вести до тих пір, поки рівень рідини в "линзовом" посудині не знизиться до 20 мм. Для тривалого спостереження фонтану слід захистити його скляною трубкою Б, по внутрішніх стінках якої фонтануюча рідина зможе стікати назад.
При впливі ультразвукових коливань на рідину в ній утворюються мікроскопічні бульбашки (явище кавітації), що супроводжується значним підвищенням тиску в місці утворення бульбашок. Це явище призводить до руйнування частинок речовини або живих організмів, що знаходяться в рідині. Якщо "у лінзовий" посудина з водою помістити маленьку рибку або ж дафній, то через 1-2 хвилини опромінення ультразвуком вони загинуть. Проекція "лінзового" посудини з водою на екран дає можливість спостерігати послідовно всі процеси цього досвіду у великій аудиторії (рис.8).
Рис.8. Біологічна дія ультразвукових коливань.
З допомогою описуваного пристрою можна демонструвати застосування ультразвуку для очищення дрібних деталей від забруднення. Для цього в основу фонтану рідини, кладуть невелику деталь (шестірню від годин, шматочок металу тощо), рясно змащений солідолом. Фонтан значно зменшиться і може припинитися зовсім, але забруднена деталь поступово очищається. Слід зауважити, що очищення деталей ультразвуком вимагає застосування більш потужних генераторів, тому очистити всю забруднену деталь за короткий відрізок часу можна і потрібно обмежитися лише очищенням декількох зубів.
Використовуючи кавітаційних явище, можна отримати масляну емульсію. Для цього в "лінзовий" посудини наливається вода і зверху додається трохи трансформаторного масла. Щоб уникнути розбризкування емульсії, потрібно лінзовий посудину з вмістом накрити склом. При включенні генератора утворюється фонтан води і масла. Через 1-2 хв. опромінення в линзовом посудині утворюється стійка емульсія молочного кольору.
Відомо, що поширення ультразвукових коливань у воді можна зробити видимим і наочно продемонструвати деякі властивості ультразвуку. Для цього необхідна ванна з прозорим і рівним дном і по можливості великих розмірів, з висотою бортів не менше 5-6 див. Ванна розміщується над отвором в демонстраційному столі, так щоб можна було висвітлити усі прозоре дно знизу. Для освітлення добре використовувати шестивольтовую автомобільну електричну лампочку в якості точкового джерела світла для проекції досліджуваних процесів на стелю аудиторії (рис.9).
Рис.9. Заломлення і відбиття ультразвукових хвиль.
Можна застосовувати і звичайну лампочку освітлення невеликої потужності. У ванну наливають воду так, щоб кварцова пластинка в кварцедержателе при вертикальному розміщенні занурювалася в неї повністю. Після цього можна включати генератор і, переводячи кварцедержатель з вертикального положення в похиле, спостерігати поширення ультразвукового променя в проекції на стелі аудиторії. Кварцедержатель при цьому можна тримати за підведені до нього дроти л і ц або ж попередньо закріпити у спеціальний тримач, з допомогою якого можна плавно змінювати відповідно кути падіння ультразвукового променя у вертикальній і горизонтальній площинах. Ультразвуковий промінь спостерігається у вигляді світлих плям, розташованих уздовж поширення ультразвукових коливань у воді. Розміщуючи на шляху поширення ультразвукового променя яку-небудь перешкоду, можна спостерігати відображення і заломлення променя.
Описується установка дозволяє проводити й інші досліди, характер яких залежить від досліджуваної програми та обладнання навчального кабінету. В якості навантаження генератора можна включати пластинки з титанату барію і взагалі будь-які пластинки, які мають п'єзоефектом на частотах від 0,5 МГц до 4,5 МГц. При наявності пластин на інші частоти потрібно змінити кількість витків у котушках індуктивності (збільшувати для частот нижче 0,5 МГц і зменшувати для частот вище 4,5 МГц). При переробці коливального контуру і котушки зворотного зв'язку на частоти 15 кГц можна включати замість кварцу будь магнітострикційні перетворювачі потужністю не більше 60 ВА
Автор: Ст. Краснюк; Публікація: М. Большаков, rf.atnn.ru