Ультразвуковой излучатель. Ягма медицинская физика. Оптимальное количество погружных преобразователей для ванны очистки

Погружной ультразвуковой преобразователь это устройство, предназначенное для передачи в жидкую среду ультразвуковых колебаний, содержащие герметичный корпус с диафрагмой, являющейся частью поверхности этого корпуса, внутри которого расположены и закреплены на диафрагме пьезоэлектрические излучатели, электроды, которых электрически соединены с высокочастотным кабелем, служащим для подачи на пьезоэлектрические излучатели высокочастотного электрического напряжения от генератора ультразвуковой частоты.

Используется для возбуждения в жидкой моющей среде ультразвуковой кавитации, обеспечивающей интенсификацию процессов очистки деталей от загрязнений. Применяются в ваннах для ультразвуковой очистки объемом свыше 50 л.

Рис.1 Погружной преобразователь
в У.З. ванне

Устройство ультразвукового погружного преобразователя схематично показана на рис.1.

Генератор подключается к сети 220 вольт 50 Гц и преобразует частоту напряжения до 25.000 гц (25 кГц) или 35 кГц. в зависимости от конструкции погружного преобразователя.

Высокочастотное напряжение подается по кабелю в герметичный корпус преобразователя, изготовленный из нержавеющей стали внутри которого смонтированы пьезоэлектрические излучатели, соединенные параллельно.

Рис.2 Устройство пьезоэлектрического излучателя

Пьезоэлектрический излучатель является основным узлом погружного ультразвукового преобразователя. Устройство этого излучателя показано на рис.2.

Излучатель имеет две пьезоэлектрических пластины (пьезоэлементы), расположенные между двумя металлическими накладками: стальной расположенной с задней стороны и алюминиевой - с передней.

Пьезоэлементы стянуты в одно целое с накладками посредством центрального болта. На центральный электрод, расположенный между пьезоэлементами, подается высокочастотное напряжение.

Пьезоэлектрический излучатель преобразует электрическую энергию в высокочастотные механические колебания, которые передаются диафрагме погружного преобразователя, от которой эти колебания передаются в моющую жидкость.

Количество пьезоэлектрических излучателей в погружном ультразвуковом преобразователе может составлять от 4-х до 11-ти и более штук.

Закрепляются пьезоэлектрические излучатели на диафрагме посредством клеевого соединения.

Рис.3 Погружной преобразователь

Общий вид ультразвукового погружного преобразователя с частично вырезанной задней крышкой показан на рис.3. Видно, что пьезоэлектрические излучатели расположены в несколько рядов по два в каждом ряду.

Погружные ультразвуковые преобразователи могут использоваться как в специально разработанных для них ваннах ультразвуковой очистки, так и в уже имеющихся у заказчика очистных ванны. Удобство этих преобразователей состоит в том, что они могут быть легко установлены в различные части объема ванны.

В отличие от ультразвуковых преобразователей, прочно прикрепленных к ванне очистки снизу или сбоку, погружные преобразователя могут быть заменены в течение нескольких минут.

Генератор для питания погружных преобразователей высокочастотным напряжением может располагаться от ультразвуковой ванны на расстоянии до 6 метров.

Способы монтажа погружных преобразователей в ванне ультразвуковой очистки

Погружные преобразователи могут быть размещены в ваннах для очистки тремя различными способами:

размещением преобразователя на дне ванны;
навешиванием на стенку ванны;
креплением преобразователя на стенке ванны.

Рис.4 Размещение преобразователя в УЗ ванне

Первые два способа не требуют выполнения отверстий в стенке ванны.

Некоторые виды крепления погружного преобразователя в ванне для ультразвуковой очистки показаны на рис.4.

При размещении преобразователя на дне ванны надо учитывать высоту слоя моющего раствора над диафрагмой преобразователя.

Следует стремиться к тому, чтобы высота этого слоя была бы кратна половины длины волны ультразвуковых колебаний, передаваемых в моющий раствор погружным преобразователем.

В этом случае за счет отражения волн ультразвуковых колебаний от границы вода-воздух в моющем растворе создается зона стоячих волн (явление реверберации). При реверберации ультразвуковых волн в жидкости эффективность ультразвуковой очистки несколько выше.

В качестве примера определим оптимальную высоту этого слоя для конкретного погружного преобразователя.

Известно, что скорость звука в воде составляет 1485 м/сек. Длина волны ультразвуковых колебаний равна частному от деления скорости звука на частоту этих колебаний.

Предположим что мы имеем погружной ультразвуковой излучатель частота колебаний диафрагмы которого составляет 25 000 гц (25 кГц). Длина волна в этом случае будет 0,0594 м. Половина длины волны равна 0,0297 м. или 2,97 см. Оптимальная высота жидкости в этом случае над поверхностью погружного преобразователя должна быть 2,97см x n где n-любое целое положительное число.

Рис.5 Стоячие волны в УЗ ванне

Например, для n=40 оптимальная высота уровня моющего раствора над поверхностью погружного преобразователя составит 2,97х40=118.8 см. Изложенное выше иллюстрируется рис.5.

Размещение погружных ультразвуковых преобразователей на стенках ванны очистки рекомендуется в том случае, когда ее глубина более чем в два раза меньше ее ширины или длины. При этом преобразователи могут размещаться как на одной стенке ванны так и на ее противоположных стенках.

На видеоролике показано размещение погружных преобразователей на боковых стенках ванны и работа погружных ультразвуковых преобразователей, размещенных на дне ванны.

Погружные преобразователи в работе

Выбор оптимальной частоты для погружного преобразователя

При распространении в жидкости ультразвуковых колебаний возникает явление, называемое кавитацией, под которой понимается образование в жидкости кавитационных полостей в фазе разряжения звуковой волны и последующее ее захлопывание в фазе сжатия.

Рис.6 Влияние частоты на уз кавитацию

Поведение кавитационных полостей при изменении частоты колебаний показано на графике на рис.6.

По оси ординат с левой стороны показана величина энергии выделяемой при захлопывании единичной кавитационной полости (энергия кавитации) а по оси ординат справа показано число кавитационных полостей в единице объема жидкости.

Как видно из графика с увеличением частоты ультразвуковых колебаний количество кавитационных полостей в жидкости увеличивается, а энергия кавитации уменьшается.

С понижением частоты ультразвуковых колебаний число кавитационных полостей в жидкости уменьшается, а энергия кавитации увеличивается.

При этом для каждой частоты ультразвуковых колебаний произведение энергии выделяемой кавитационной полостью при ее захлопывании на число этих пузырьков в жидкости является величиной постоянной примерно равной энергии передаваемой в жидкость ультразвуковым погружным преобразователем.

Подробно влияние частоты ультразвуковых колебаний на количество кавитационных полостей рассмотрено на сайте

Для практики важно, чтобы число кавитационных полостей было бы как можно больше, но при этом энергия кавитации должна быть достаточной для удаления загрязнений. Таким образом, для очистки деталей от загрязнений непрочно связанных с поверхностью (жиры, масла) следует применять преобразователи с частотой 35-40 кГц а для очистки деталей от загрязнений прочно связанных с поверхностью (полировальные пасты, лаковые и полимерные пленки) следует применять погружные преобразователи с более низкой частотой 20-25 кГц.

сменить рисунок

Рис.7 УЗ ванна с преобразователями разной частоты

Наиболее оптимальным решением является создание таких уcловий, когда чиcло кавитационных полостей было бы велико и при этом энергия кавитации также была бы большой.

Эти условия реализуются в ванне ультразвуковой очистки с погружными преобразователями, расположенными на ее стенках, как показано на рис.7. Другой вариант расположения погружных преобразователей можно увидеть, если подвести курсор к этому рисунку.

В этом случае применяются два преобразователя с разными частотами колебаний 25 и 35 кГц. Преобразователь с частотой в 35 кГц обеспечивает создание в объеме моющей жидкости большего количества кавитационных полостей, а преобразователь с частотой в 25 кГц увеличивает энергию кавитации этих полостей.

Оптимальное количество погружных преобразователей для ванны очистки

При определении числа необходимых погружных преобразователей надо исходить из того, что максимальная эффективность ультразвуковой очистки достигается при ультразвуковой мощности 10...30 ватт на 1 литр объема ванны.

Так например, для ванны объемом 50 литров достаточно двух преобразователей модели ПП25.8 (см.таблицу ниже).

Для больших по объему ванн ультразвуковой очистки, например свыше 250 литров, удовлетворительные результаты достигаются и при ультразвуковой мощности 4.5 ватт на 1 литр объема ванны. Например, для ванны объемом 1000 л достаточно 11 преобразователей модели ПП25.8

В настоящее время на отечественном рынке имеется много конструкций ультразвуковых погружных преобразователей.

В таблице приведены технические характеристики погружных ультразвуковых преобразователей компании ООО ТНЦ Техносоник (Москва).

В данной статье не рассмотрены полностью все аспекты конструкции и использования погружных ультразвуковых преобразователей. Однако представленный материал может быть полезен для специалистов перед которыми впервые поставлены конкретные задачи по выбору оптимального варианта ультразвуковой ванны для очистки изделий.

УЗ излучатель — это генератор мощных ультразвуковых волн. Как мы знаем, ультразвуковую частоту человек не слышит, но организм чувствует. Иными словами ультразвуковая частота воспринимается человеческим ухом, но определенный участок мозга, отвечающий за слух, не может расшифровать данные звуковые волны. Те, кто занимаются построением аудио систем должны знать, что высокая частота очень неприятна для нашего слуха, но если поднять частоту на еще высокий уровень (УЗ диапазон) то звук исчезнет, но на самом деле он есть. Мозг попытается безуспешно раскодировать звук, в следствии этого возникнет головная боль, тошнота, рвота, головокружение и т.п.

Ультразвуковая частота давно применяется в самых разных областях науки и техники. При помощи ультразвука можно сваривать металл, провести стирку и многое другое. Ультразвук активно применяется для отпугивания грызунов в сельскохозяйственной технике, поскольку организм многих животных приспособлен к общению с себе подобными на УЗ диапазоне. Есть данные и про отпугивание насекомых с помощью УЗИ генераторов, многие фирмы выпускают такие электронные репелленты. А мы предлагаем вам самостоятельно собрать такой прибор, по приведённой схеме:

Рассмотрим конструкцию достаточно простой УЗ пушки высокой мощности. Микросхема D4049 работает в качестве генератора сигналов ультразвуковой частоты, она имеет 6 логических инверторов.

Микросхему можно заменить на отечественный аналог К561ЛН2. Регулятор 22к нужен для подстройки частоты, ее можно снижать до слышимого диапазона, если резистор 100к заменить на 22к, а конденсатор 1,5нФ заменить на 2,2-3,3нФ. Сигналы с микросхемы подаются на выходной каскад, который построен всего на 4-х биполярных транзисторах средней мощности. Выбор транзисторов не критичен, главное подобрать максимально близкие по параметрам комплементарные пары.

В качестве излучателя можно использовать буквально любые ВЧ головки с мощностью от 5 ватт. Из отечественного интерьера можно использовать головки типа 5ГДВ-6, 10ГДВ-4, 10ГДВ-6. Такие ВЧ головки можно найти в акустических системах производства СССР.

Осталось только оформить все в корпус. Для направленности УЗ сигнала нужно использовать металлический рефлектор.

МОДЕРНИЗИРОВАННАЯ УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ПУШКА "ИГЛА-М"

У льтразвук - это упругие волны высокой частоты. Обычно ультразвуковым диапазоном считают полосу частот от 20 000 до нескольких миллиардов герц. Сейчас ультразвук широко применяется в различных физических и технологических методах. То, что ультразвук активно воздействует на биологические объекты (например, убивает бактерии), известно уже более 70 лет. Электронная аппаратура со сканирующим ультразвуковым лучом используется в нейрохирургии для инактивации отдельных участков головного мозга мощным сфокусированным высокочастотным пучком. Высокочастотные колебания вызывают внутренний разогрев тканей.

До сих пор идут дискуссии о физическом влиянии ультразвуковых колебаний на клетку и даже о возможном нарушении структур ДНК. Более того, существуют сведения о том, что на микроуровне — не на уровне строения тела, а на каком-то более тонком, ультразвуковое воздействие оказывается вредным.

Ультразвук можно получить от механических, электромагнитных и тепловых источников. Механическими излучателями обычно служат разного рода сирены прерывистого действия. В воздух они испускают колебания мощностью до нескольких киловатт на частотах до 40 кГц. Ультразвуковые волны в жидкостях и твердых телах обычно возбуждают электроакустическими, магнитострикционными и пьезоэлектрическими преобразователями.

В промышленности давно уже изготавливают девайсы для ультразвукового воздействия на животных, например такие:

Назначение

Миниатюрный отпугиватель собак представляет собой носимый электронный прибор (собран в корпусе минифонарика), излучающий ультразвуковые колебания, слышимые собаками и не воспринимаемые человеком.

Принцип действия

Прибор разработан для защиты от нападения собак: ультразвуковое излучение определенной мощности обычно останавливает агрессивно настроенную собаку на расстоянии 3 - 5 метров или обращает ее в бегство. Наибольший эффект достигается при воздействии на агрессивных бродячих собак.

Технические характеристики

Напряжение питания (1 аккумулятор типа 6F22 (KRONA)), В 9
Ток потребления, не более, А 0,15
Масса с аккумуляторами, не более, г 90

Как Вы понимаете, это слабая игрушка, но мы сделаем девайс гораздо мощнее! Продолжая эксперименты с ультразвуком (), было сделано ряд интересных усовершенствований и доработок. Так был произведён революционный метод воздействия (естественно негативного), на живой организм двух ультразвуковых излучателей с разностной частотой несколько герц. То есть частота одного излучателя например 20000 Гц, а другого - 20010 Гц. В результате на ультразвуковое излучение накладывается инф развуковое, что многократно усиливает деструктивный эффект!

Схема стандартная, генератор на CD4069 + усилитель на трёх Н-П-Н транзисторах. Питание не менее 12 В, при токе до 1 А.

Для усиления направленного эффекта используем цилиндрические звуковые резонаторы. Их роль будет выполнять обычная никелированная трубка от пылесоса. Только не надо портить пылесос, трубка отдельно продаётся на базаре или в магазине запчастей.

Обрезаем два куска на экспериментально определённую длинну (где-то пару сантиметров), и прикрепляем их к ВЧ головкам типа 5ГДВ-4 или любых других. Можно купить двойную насадку на выхлопную трубу автомобиля, монтаж гораздо удобнее, а эффект будет ещё лучше.

Внутрь вставляем ВЧ динамики, в задней части монтируем плату с аккумулятором.

Излучатели (ультразвуковые) активно применяются в эхолотах. Дополнительно устройства используются в приемниках. Современные модификации выделяются высокой частотностью и имеют хорошую проводимость. Чувствительность излучателя зависит от многих факторов. Также стоит отметить, что у моделей применяются клеммы, которые влияют на общий уровень сопротивления.

Схема устройства

Стандартная схема устройства содержит две клеммы и один конденсатор. Стержень используется диаметром от 1,2 см. Магнит для работы системы потребуется неодимового типа. В нижней части любого излучателя располагается подставка. Конденсаторы могут крепиться через расширитель либо клеммы. Обмотка селеноида применяется с проводимостью от 4 мк.

Кольцевая модификация

Кольцевые погружные ультразвуковые излучатели, как правило, производятся для эхолотов. Большинство моделей обладают дипольными конденсаторами. Подкладки под них подбираются из резины. Общий уровень сопротивления в устройствах данного типа равняется 50 Ом. Клеммы используются с переходником и без него. В верхней части селеноида располагается защитное кольцо. Стержень используется диаметром не менее 2,2 см. В некоторых случаях конденсаторы применяются канального типа с системой защиты. Проводимость при разряде у них составляет не менее 5 мк. При этом частотность может сильно меняться. В данном случае многое зависит от чувствительности элемента.

Устройство с яром

Ультразвуковой излучатель для увлажнителя с яром считается очень распространенным. Если рассматривать то у нее имеются три конденсатора. Как правило, они используются трехканального типа. Общий уровень сопротивления у излучателей данного типа составляет 55 Ом. Они часто ставятся на эхолоты и низкочастотные приемники. Также модели подходят для преобразователей. Магниты используются диаметром от 4,5 см. Подставки делаются из латуни либо стали. Проводимость при разряде составляет не более 5,2 Мк.

Некоторые модификации используются с верхним расположением яра. Как правило, он находится над подставкой. Также надо отметить, что есть излучатели с однополюсными переходниками. Соленоиды для них подходят только с высокой проводимостью. В верхней части устройства используется несколько колец. Чувствительность при разряде составляет примерно 10 мВ. Если рассматривать модификации на резисторных конденсаторах, то у них общий уровень сопротивления максимум доходит до 55 Ом.

Модель с двойной обмоткой

Излучатели (ультразвуковые) с двойной обмоткой в последнее время производятся с усилителем. Такие устройства активно применяются на преобразователях. Некоторые излучатели делаются с двойными конденсаторами. Обмотки используются с широкой лентой. Стержни подходят диаметром от 1,3 см. Клеммы должны обладать проводимостью не менее 5 мк. Частотность устройств зависит от многих факторов. В первую очередь учитывается диаметр стрежня. Также надо отметить, что расширители используются с подкладками и без них.

Излучатели на базе отражателя своими руками

Из отражателей можно сделать ультразвуковой излучатель своими руками. В первую очередь заготавливается неодимовый магнит. Подставка применяется шириной около 4,5 см. Обводку разрешается устанавливать только после стрежня. Также надо отметить, что магнит фиксируется на подкладке и замыкается кольцом.

Клеммы для устройства подбираются проводникового типа. Проводимость при разряде должна составлять около 6 мк. Общий уровень сопротивления у излучателей данного типа равняется не более 55 Ом. Конденсаторы используются разного типа. Непосредственно отражатели подбираются небольшой толщины. Для установки элементов придется воспользоваться Верхняя часть стрежня закручивается на пленке. В данном случае важно не перекрывать клеммы.

Устройства для эхолотов

Излучатели (ультразвуковые) для эхолотов обладают неплохой проводимостью. Диаметр стержня у стандартной модели равняется 2,4 см. Кольца, как правило, используются обтягивающего типа. Современные модели делаются с конусными подставками. У них малый вес и они могут работать в условиях повышенной влажности. Соленоиды применяются разного диаметра. В нижней части устройств обязательно накручивается изолента. При необходимости излучатель для эхолота можно сделать самостоятельно. Конденсаторы с этой целью применяются двухканального типа. Если рассматривать устройство со стержнем на 2,2 см, то общий уровень сопротивления у него составит 45 Ом.

Модификации для рыболокаторов

Излучатели (ультразвуковые) для рыболокаторов производятся с клеммами разной проводимости. Наиболее востребованными считаются модификации с переходниками и чувствительностью на уровне 12 мВ. Некоторые устройства оснащаются компактными одноканальными конденсаторами. Проводимость при загрузке у них составляет 2 мк. Магниты на излучатели устанавливаются разного диаметра.

Большинство моделей делаются с низкими подставками. Также надо отметить, что устройства выделяются высокой частотностью. Клеммы обладают неплохой проводимостью, но в данном случае многое зависит от толщины стрежня. В верхней части обмотки устанавливаются защитные кольца. Для увеличения проводимости излучателя применяются клеммы с чувствительностью от 15 мВ.

Модели низкого волнового сопротивления

Ультразвуковой излучатель для увлажнителя воздуха низкого выделяется компактными размерами. Обмотки используются толщиной от 0,2 см. Магниты устанавливаются на подставках либо подкладках. Клеммы фиксируются в верхней части устройства. Стандартная модификация включает в себя три конденсатора.

Показатель общего сопротивления составляет не более 30 Ом. Конденсаторы у некоторых моделей применяются двуканального типа. При этом проводимость составляет примерно 2 мк. Также есть модификации со стержнями большого диаметра. Они используются в эхолотах. Большинство излучателей производится специально для преобразователей. Кольца для зажима используются из резины либо пластика. В среднем диаметр стержня у модификации равняется 2,2 см.

Устройства высокого волнового сопротивления

Модификации данного типа делаются, как правило, для приемников. Общий уровень проводимости у них равняется 4 мк. Большинство устройств работает от контактных клемм. Также надо отметить, что существуют устройства с чувствительностью от 15 мВ. Конденсаторы на модификации подбирают трехканального типа. Также есть резисторные модели. У них общий уровень сопротивления стартует от 55 Ом. Магниты на мощный ультразвуковой излучатель устанавливаются только неодимового типа. В среднем диаметр детали составляет 4,5 см. Подставки могут производиться с накладками или защитными изолирующими пленками.

Модели с однопереходными конденсаторами

Устройства этого типа способны обеспечивать проводимость на уровне 5 мк. У них довольно высокая чувствительность. Стержни на ультразвуковой излучатель устанавливаются диаметром от 2 см. Обмотки используются только с кольцами из резины. В нижней части устройств применяются дипольные клеммы. Общий уровень сопротивления при загруженности составляет 5 Ом. Конденсаторы разрешается устанавливать на излучатели через расширители. Для продления низких частот используются переходники.

При необходимости можно сделать модификацию на два конденсатора. Для этого клеммы устанавливаются с проводимостью от 2,2 мк. Стержень подбирается небольшого диаметра. Также надо отметить, что потребуется короткая подставка из сплава алюминия. В качестве изоляции для клемм применяется изолента. В верхней части излучателя крепится два кольца. Непосредственно конденсаторы монтируются через дипольный расширитель. Общий уровень сопротивления не должен превышать 35 Ом. Чувствительность зависит от проводимости клемм.

Возвращаясь с работы ночью или бродя по темным переулкам, есть опасность подвергнутся нападению бродячих собак, укусы которых иногда опасны для жизни, если вовремя не обратится к врачам. Именно для этих случаев умные человеческие мозги придумали ультразвуковой отпугиватель.

Промышленные отпугиватели имеют достаточно сложную схему и выполнены на достаточно дефицитных компонентах.

В этой статье мы рассмотрим вариант такого отпугивателя с использованием знаменитого таймера 555 серии. Таймер, как известно, может работать в качестве генератора прямоугольных импульсов, именно такое подключение использовано в схеме.

Генератор работает на частоте 20-22 кГц, как известно многие животные "общаются" на ультразвуковом диапазоне. Опыты показали, что частоты 20-25 кГц вызывают у собак искусственный страх, благодаря построечному регулятору, генератором можно настроить на частоту 17-27кГц.

Сама схема содержит всего 6 компонентов и не вызовет никаких затруднений. Регулятор желательно использовать многооборотный, для более точной настройки на нужную частоту.
Пьезоизлучатель можно взять от калькулятора или любых других музыкальных игрушек, можно также использовать любые ВЧ головки с мощностью до 5 ватт, больше попросту нет смысла.

Устройство эффективно действует на расстоянии 3-5 метров, поскольку в схеме нет дополнительного усилителя мощности.

В качестве источника питания, удобно использовать крону, или любой другой источник с напряжением от 6 до 12 вольт.

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Мой блокнот
	Программируемый таймер и осциллятор	NE555	1	В блокнот
R1	Резистор	2.2 кОм	1	В блокнот
R2	Резистор	1 кОм	1	В блокнот
R3	Переменный резистор	4.7 кОм	1	В блокнот
C1	Электролитический конденсатор	10 мкФ	1	В блокнот
C2	Конденсатор	10 нФ	1	В блокнот
	Пьезоизлучатель		1