Майер В.В. - Простые опыты с ультразвуком, страница 11

Вибраторы излучателей, если их возбуждать на основной собственной частоте, должны иметь толщииу, меньшую 3 мм. Такие вибраторы можно изготовить из стапдартвого ферритового стержня. Мы реко- 60 мендуем из одного стержня сразу изготовить несколько вибраторов. Поверхность стекла смочите водой и посыпьте тонким слоем мелкого абразивного порошка (если не удастся достать абразив для шлифовки, можно приготовить абразивный порошок, стачивая его старым напильником с точильного круга; полученный таким способом абразив необходимо просеять через сито, чтобы удалить крупные зерна). Поместите ферритовый стержень марки М400НН толщиной 3 мм и площадью 20 Х 100 ммх на поверхность стекла с абразивом, прижмите его тремя пальцами правой руки и начинайте шлифовку, производя рукой равномерные круговые движения по часовой стрелке.

После б мин непрерывной шлифовки смените направление круговых движений и вновь продолжайте шлифовку в течение Б мин. Затем пере- Рис. 34. Схема скмметричверните ст'ержсиь другой ных магннтострккционвых стороной и повторите все мчлучетелей лля колучеоперацин. По мере сраба виа ультглзку"а частотой 1 — 13 МГР тывания и высыхания абразива добавляйте новый и смачивайте его водой.

При работе необходимо периодически поворачивать и переворачивать стержень так, чтобы шлифовка происходила равномерно. Только в этом случае получатся нужные для излучателей плоскопараллельные пластинки. Необходимая точность для вибраторов толщиной ие менее 0,4 мм не очень высока: отклонение от плоскопараллельности вибраторов ие должно превышать 0,01 — 0,02 мм; при правильной шлифовке это условие обычно выполняется автоматически.

Вибраторы меньшей толщины, разумеется, потребуют большей точности изготовления. Плоскопараллельность обрабатываемых шлифовкой пластинок время от времени можно контролировать штангенпнркулем или микрометром. Предварительную шлифовку произведите до получения стержня толщиной около 1,5 мм. Затем смоченным водой ребром трехгранного напильника сделайте надрез посередине стержня и разломите его пополам. Получившиеся пластинки более мелким абразивом сошлифуйте до толщины 0,6 — 1 мм. Одну из пластинок оставьте, а вторую разрежьте на три части размером примерно 15 Х 20 мм'.

Из этих частей последующей шлифовкой изготовьте пластииси толщиной 0,4 — 0,5, 0,3 и 0,2 мм, Таким образом, из одного стандартного ферритового стержня вы получите четыре вибратора разной толщины. Следует иметь в виду, что ферритовые стержни очень хрупки, и шлифовку тонких пластинок нужно производить с большой осторожностью„особенно следует остерегаться попадания крупных зерен между стеклом и пластинкой.

Поэтому можно рекомендовать на первом этапе ограничиться изготовлением ферритового вибратора толщиной около 1 мм. Йачинающему шлифовка кажется весьма утомительной: работаешь., работаешь, а стержень все не стачивается! Возникает почти непреодолимое желание после нескольких движений вновь и вновь измерять толщину стержня, чтобы убедиться, что она уменьшается. Выход здесь один: поставив перед глазами часы, шлифовать 10 мин непрерывно, Затем измерить толщину стержня и, если она «не уменьшилась», шлифовать непрерывно 20 мин. Этот простой метод позволяет довольно быстро (за несколько часов) изготовить нужные вибраторы.

Прежде чем перейти к описанию конкретных конструкций высокочастотных излучателей, отметим их общие особенности. Во всех излучателях, собранных по симметричной схеме, изображенной на рис. 34, секции обмотки возбуждения содержат одинаковое число витков и намотаны в одну сторону. Для подмагничивания вибратора использованы кольцевые керамические магниты из школьного набора, содержащего такие магниты диаметрами 10, 15, 20, 25 и 35 мм и толщиной 5 и 7 мм. Магниты в тех излучателях, для которых зто пнже специально не оговорено, касаются торцов вибратора и расположены согласно и перпендикулярно к вибратору„ т.

е. так, что векторы напряженности поля магнитов направлены в одну сторону параллельно излучающей 62 плоскости вибратора. Как уже отмечалось при опн= сании несимметричного излучателя на частоту 1 М[ ц, направление напряженности подмагничивающего вибратор поля особого значения не имеет, и магниты могут быть расположены относительно вибратора как угодно, лишь бы величина поля была оптимальной для создания интенсивных ультразвуковых колебаний вибратора.

Однако на практике удобно придерживаться какого-либо одного способа расположения магнитов, поэтому мы рекомендуем помещать нх относительно вибратора всегда так, как показано на рнс. 34. Поскольку во всех излучателях магниты расположены симметрично относительно вибрато- ллюКФе ра, ниже при описании конкретных конструкций излучателей мы будем указывать лишь общее число магнитов. Магнитострикционный язМрЬт излучатель на частоту Мрц, собранный по симметричной схеме, должен иметь обмотку возбуждения, состоящую из Рас. зб.

чеРтеж каркасов лла еекккй обмотки аоабуаетекал. двух секций по 23— 27 витков провода ПЭЛ 0,8 — 1,0 в каждой. Конструкция каркасов секций, которые лучше всего изготовить из двух текстолитовых планок, изображена на рис. 35. Секции обмотки возбуждения на панели излучателя следует закрепить так, чтобы была обеспечена возможность регулировки расстояния в~ежду ними в пределах 30 — 80 мм. В качестве вибратора излучателя можно использовать ферритовый стержень толщиной 3 мм и площадью от 20Р',50 до 20Р',100 мма. Имеющиеся в продаже ферритовые стержни, как правило, слегка изогнуты. Для увеличения интенсивности ультразвуковых колебаний стержень можно отшлифовать так,чтобы он стал плоскопараллельным.

Подмагничивание вибратора осуществляется 2 — 4 кольцевыми керамическими магнитами диаметром 35 ми и толщиной 7 мм. Общий вид бз излучателя вместе с кюветой на его вибраторе изо. бражен на рис. 36. Для получения ультразвука частотой порядка 3 МГц в описанном выше излучателе следует возбуждать ферритовый вибратор толщиной 3 мм на третьей гармонике. Для этого необходимо перемотать обмотку возбуждения: она должна состоять из двух секций по 8 — 10 витков провода ПЭЛ 0,8 — 0,8 в каждой.

Подмагничивание вибратора осуществляется двумя керамическими магнитами диаметром 35 мм н Унс, 36. Внешний вид симметричного магиитоогрниннонного из- лучатели на частоту 1 МГгр На нибратсре излучатели расиакажена склееинен иа аргстекка кжиета с жикксстькк толщиной 7 мм. При расстоянии между секциями обмотки возбуждения 30 — 80 мм площадь вибратора может быть любой в пределах от 20 Х 50 до 20 Х 100 мм'. В этом же излучателе прн возбуукденпи на основной собственной частоте может быть использован феррнтовый вибратор толциной ! мм и площадью 20 Х 50 мме.

Должна быть изменена только величина подмагничнвающего вибрагор поля: в излучателе нужно использовать два магнпта диаметром 15 мм и толщиной 5 мм. Возбуждение колебаний ферритового вибратора на гармониках выше третьей нецелесообразно: вибратор начинает сильно греться, в силу чего 64 излучатель работает не стабильно (наблюдается «уход» резонансной частоты и возникает необходимость постоянной подстройки генератора). Поэтому для получения ультразвука частотой выше 3 МГц следует использовать вибраторы толщиной меньше 3 мм. На рнс. 37 показан излучатель на частоту 5 МГц, предназначенный для введения в жидкость ультразвуковой полны через дно кюветы.

Вибратором излучателя является ферритовая пластинка толщиной 0,6 мм и площадью 20 Р',50 мм'. Обмотка возбуждения содержит две секции по 5 витков провода ПЗЛ Ряс. 37. Внешний аид магнитостриииионного иалучателя для по- лучения ультрааауса частотой 3 МГн. 0,5 — 0,7 в каждой. Конструкция каркасов для секций обмотки возбуждения остается прежней, слегка изменяются только их размеры, Расстояние между секциями составляет 30 — 40 мм. Подмагничнвание вибратора осуществляется двумя керамическими магнитами диаметром 15 мм и толщиной 5 мм. Магнитострикцнонный излучатель для получения ультразвука частотой около 8 МГц изображен на рис, 38. Каркас излучателя можно изготовить из оргстекла или винипласта.

Излучатель предназачен для введения внутрь кюветы с жидкостью. Обмотка возбуждения излучателя содержит две секции по 3 — 4 витка провода ПЭЛ 0,5 — 0,6 в каждой. Вибратор толщиной 0,4 мм и площадью 15 и',20 мм' поляризован двумя магнитами диаметром 10 мм н толщиной 5 мм. 3 в. в.м аср Магнитострнкционный излучатель для получения ультразвука частотой 12 — 15 МГц конструктивно не отличается от предыдущего. Обмотка возбуждения его должна содержать две секции по 2,5 — 3,5 витка йй Рнс. 88. Магннтосгрннцяонный излучатель лля нолученяя ультра- звука частотой 8 МГц.

а †черт кариаса иэлучателя: а †алеши аил излучатели. провода ПЭЛ 0,5 — 0,6 в каждой. Подмагничивающие вибратор два магнита диаметром 10 мм и толщиной 5 мм при согласном их расположении не должны касаться торцов вибратора; удобно между магнитами и вибратором установить резиновые прокладки толшиной 4 — 7 мм.

В начестве вибратора может быть 66 использована ферритовая пластинка толщиной 0,2 0,25 мм и площадью !5 Р',20 мм'. Изготовить плоско- параллельную пластинку такой толщинысдостаточно высокой точностью труднее, чем вибраторы ранее описанных излучателей. Нам кажется, что лучше отшлифовать слегка клиновидную пластинку, Интенсивность ультразвука, обеспечиваемого таким вибратором, естественно, снижается, зато появляется вазможность поставить несколько интересных опытов, В высокочастотных магнитострикционных излучателях ультразвука в качестве вибраторов используются радиотехнические ферритовые стержни, которые по прямому назначению применяются как сердечники магнитных антенн карманных радиоприемников. Можно высказать надежду, что если были бы разработаны специальные ферритовые вибраторы, то построенные на их основе магнитострнкциониые излучатели частотой несколько мегагерц вполне могли бы конкурировать с пьезоэлектрическими излучателями.

Как знать, может быть н вам предстоит внести свой вклад в это важное и интересное дело! Во всяком случае, несомненно одно: высокочастотные магнитострикционные излучатели таят в себе еще много нераскрытых возможностей. В. НЕКОТОРЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЯСТВА УЛЬТРАЗВУКА Как уже отмечалось выше, ультразвук и звук— это волны одной природы. Поэтому все основные явления акустики наблюдаются и в ультразвуковой области частот. Действительно, звук и ультразвук излучаются источниками, которые в принципе одинаковы: это колеблющиеся тела, возбуждающие в окружающей среде упругую волну.

Звуковые и ультразвуковые волны распространяются с определенной (обычно постоянной) скоростью, зависящей от свойств окружающей источник среды. При распространении ультразвуковые и звуковые волны переносят энергию, причем часть энергии «теряется» в среде, что приводит к затуханию волн. Для ультразвуковых волн„так же как и для звуковых, существует явление Допплера — эффект изменения воспринимаемой приемником частоты волны при движении приемника или источника относительно среды. Скорость звука в определенных условиях зависит от частоты.

Это явление, называемое дисперсией, имеет место и в ультразвуковом диапазоне. Переход звуковых и ультразвуковых волн из одной среды в другую сопровождается отражением и прелоялением на границе раздела сред. При наложении нескольких когерентных звуковых волн происходит явление интерференции. То же явление наблюдается н для ультразвука. Если звуковая или ультразвуковая волна встречает на своем пути препятствие, она огибает его. Это явление называется дифранцией упругой волны. Наконец, ультразвуковые н звуковые волны могут быть как продольными (в газах, жидкостях н твердых телах), так и поперечными (в твердых телах), 68 Перечень акустических явлений, протекающих одинаково в области звуковых и ультразвуковых частот, можно было бы значительно расширить и конкретизировать. Однако это вовсе не означает, что изучение ультразвука не дает ничего нового.