演示超声波安装。方案、说明

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本文描述了设计用于演示超声波实验的最简单的超声波装置的设计。该装置由一个超声波振动发生器、一个发射器、一个聚焦装置和几个辅助装置组成，可以演示各种解释使用超声波振动的特性和方法的实验。

使用最简单的超声波装置，可以显示超声波在各种介质中的传播、超声波在两种介质边界处的反射和折射，以及超声波在各种物质中的吸收情况。此外，还可以展示油乳液的生产、污染部件的清洗、超声波焊接、超声波液体喷泉、超声波振动的生物效应。

这种装置的制造可以由高中生在学校车间进行。

用于演示超声波实验的装置包括一个电子发生器（图 1）、一个将电振荡转换为超声波振荡的石英转换器以及一个用于聚焦超声波的透镜容器（图 2）。由于发电机灯的阳极电路直接由交流电供电（无需整流器），因此电源中仅包括电源变压器Tr1。这种简化不会对设备的操作产生不利影响，同时显着简化了其布局和设计。

电子发生器是在按三极管电路连接的两个6PZS灯上按推挽电路制成的（灯的屏栅接阳极）。确定产生的振荡频率的电路L1C2包含在灯的阳极电路中，而反馈线圈L2包含在栅极电路中。阴极电路中包含一个小电阻 R1，它在很大程度上决定了灯的模式。

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图。1。发电机示意图

高频信号通过耦合电容器 C4 和 C5 馈送到石英谐振器。石英被放置在一个密封的石英支架中（图 2），并用 1 m 长的电线连接到发生器。

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米。 2. 透镜容器和石英支架

除了考虑的细节之外，电路中还有电容器 C1 和 C3，以及一个电感器 Dr1，通过它将阳极电压施加到灯的阳极。该电感防止高频信号通过电容器C1和电源变压器的匝间电容短路。

发电机的主要自制部件是线圈 L1 和 L2，以扁平螺旋的形式制成。对于它们的制造，有必要切出一个木制模板。从 25 厘米宽的板上切出两个正方形，用作模板的脸颊。在每个颊板的中心，应为直径为 10-15 毫米的金属杆打孔，并在其中一个颊板上切出一个 3 毫米宽的孔或凹槽，用于连接线圈输出。在两端的金属杆上切出螺纹，将面颊放置在两个螺母之间，距离等于缠绕线的直径。在此，可以认为模板的制造完成并继续缠绕线圈。

将金属棒的一端夹在虎钳中，将第一圈（内）线放在两颊之间，然后拧紧螺母并继续缠绕。线圈 L1 有 16 匝，线圈 L2 有 12 匝直径为 3 mm 的铜线。线圈 L1 和 L2 分别制作，然后将一个放在另一个之上，放在由 textolite 或塑料制成的横档上（图 3）。为了给线圈更大的强度，用钢锯或锉刀在十字架上切出凹槽。要固定线圈，应使用第二个十字（无凹槽）从上方按压其中一个线圈，第二个应直接放在安装在发电机金属底盘上的有机玻璃、getinaks 或塑料板上。

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图。 3

高频电感器用 PELSHO-30 mm 线绕在直径为 0,25 mm 的陶瓷或塑料框架上。绕线以每段 100 匝为单位批量进行。油门总共有 300-500 转。本设计采用自制电源变压器，在Sh-33板芯上制作，组厚33mm。网络绕组包含 544 匝 PEL-0,45 线。网络绕组设计用于连接电压为 127 V 的网络。在使用电压为 220 V 的网络的情况下，绕组 I 必须包含 944 匝 PEL-0,35 线。升压绕组有 2980 匝 PEL-0,14 线，灯丝绕组有 30 匝 PEL-1,0 线。这种变压器可以用ELS-2品牌的电源变压器代替，只使用电源绕组、灯的灯丝绕组和升压绕组，或任何功率至少为70 VA的电源变压器并带有一个升压绕组，在 470PZS 灯的阳极提供 6 V 的负载。

根据放置在图 4 中的图纸，石英支架由青铜制成。 3、在表壳中，用直径为0,2mm的钻头钻L形孔，将导线l引出，在表壳内插入橡胶圈e，起到缓冲和隔离石英的作用。戒指可以用普通的铅笔橡皮擦剪下来。接触环 b 由 XNUMX 毫米厚的黄铜箔切割而成。这个环有一个用于焊接电线的标签。电线 l 和和都必须具有良好的绝缘性。电线和焊接到支撑法兰 O。不建议将电线扭在一起。

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图 4。石英支架

晶状体容器由圆柱体 e 和超声透镜 b 组成（图 5）。圆柱体是由 3 毫米厚的有机玻璃板在直径 19 毫米的圆形木模板上弯曲而成。

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图 5。晶状体容器

将盘子在火焰上加热至软化，按图案弯曲并用醋精粘在一起。胶合的圆柱体用线系好，晾干两个小时。之后，将圆柱体的末端与砂纸对齐并去除螺纹。要制造超声波透镜 b，您需要用直径为 6-18 毫米的钢球和滚珠轴承制造特殊装置（图 22）。球应通过将其加热到红热并缓慢冷却来进行退火。之后，在球体上钻一个直径为 6 mm 的孔并切出内螺纹。为了将这个球固定在钻孔机的卡盘中，需要用一根杆制成一端带有螺纹的杆。

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图 6。夹具

将带有螺纹球的杆夹入机器卡盘，机器以中等速度打开，通过将球压入 10-12 毫米厚的有机玻璃板，获得所需的球形凹槽。当球加深到等于其半径的距离时，钻孔机关闭，在不停止压球的情况下，用水冷却。结果，在有机玻璃板中获得了超声波透镜的球面凹槽。用钢锯从有凹槽的板上切出一个边长为36毫米的正方形，凹槽周围形成的环形突起用细砂纸整平，然后从下面磨平板，使底部厚0,2毫米留在凹槽的中央。然后将用砂纸划伤的地方抛光至透明，并在车床上切割边角，使球形凹槽保持在板的中心。从板的底部，有必要制作一个高 3 毫米、直径 23,8 毫米的突起，以将透镜置于石英支架的中心。

用醋酸精或二氯乙烷将圆柱体的一端充分润湿后，将圆柱体的中心轴与通过透镜中心的轴重合，将其粘在超声波透镜上。干燥后，在胶合容器中钻三个孔用于调整螺钉。最好用长10-12厘米、直径1,5-2毫米的普通电线制成并配有绝缘材料手柄的专用螺丝刀转动这些螺丝。在这些部件的制造和发电机的安装之后，您可以开始设置设备，这通常归结为将 L1C2 电路调谐到与石英的固有频率共振。（图 4）中的石英板应在流水中用肥皂清洗并干燥。接触环b从上面被清洁到发光。小心地将一块石英板放在接触环的顶部，在板的边缘滴几滴变压器油后，拧紧盖子 d，使其压住石英板。为了指示超声波振动，盖子上的凹槽 a 和 d 填充了变压器油或煤油。接通电源预热一分钟后，转动调音旋钮，实现石英片振子振动之间的共振。在共振时刻，观察到倒入盖子凹槽中的液体的最大膨胀。设置好生成器后，就可以开始演示实验了。

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发电机设计。

最有效的演示之一是在超声波振动的作用下产生液体喷泉。为了获得液体喷泉，您需要将“透镜”容器放置在石英支架的顶部，以便“透镜”容器底部和石英板之间不会形成气泡堆积。然后将其倒入装有普通饮用水的透镜容器中，发生器打开一分钟后，水面上就会出现超声波喷泉。喷泉的高度可以使用调节螺钉来改变，之前已经使用电容器 C2 调节了发生器。通过整个系统的正确设置，您可以获得高度为30-40厘米的喷泉（图7）。

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图 7。超声波喷泉。

在喷泉出现的同时，出现了水雾，这是空化过程的结果，并伴随着特有的嘶嘶声。如果将变压器油而不是水倒入“透镜”容器中，那么喷泉的高度会明显增加。可以对喷泉进行连续观察，直至“透镜”容器中的液位下降至20毫米。为了长期观察喷泉，需要用玻璃管B保护，喷泉液体可以沿着玻璃管B的内壁回流。

当对液体施加超声波振动时，液体中会形成微小气泡（空化现象），并且伴随着气泡形成部位的压力显着增加。这种现象导致液体中的物质颗粒或生物体被破坏。如果将小鱼或水蚤放入盛有水的“透镜”容器中，则在超声波照射 1-2 分钟后它们就会死亡。装有水的“透镜”容器在屏幕上的投影使得可以在一个大礼堂中连续观察该实验的所有过程（图8）。

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图 8。超声波振动的生物效应。

使用所描述的设备，可以演示使用超声波清洁小部件免受污染。为此，将一个用油脂充分润滑的小部件（时钟的齿轮、一块金属等）放置在液体喷泉的底部。喷泉会显着减少，可能会完全停止，但被污染的部分会逐渐被清理干净。需要注意的是，零件的超声波清洗需要使用功率更大的发生器，因此，不可能在短时间内清洁整个被污染的部分，您需要限制自己清洁几颗牙齿。

利用空化现象，可以获得油乳液。为此，将水倒入“透镜”容器中，并在顶部添加少量变压器油。为了避免乳剂飞溅，需要用玻璃盖住装有内容物的镜片容器。当发电机打开时，会形成水和油的喷泉。 1-2 分钟后。在透镜容器中照射，形成稳定的乳状乳液。

众所周知，超声波振动在水中的传播是可见的，并且可以清楚地展示超声波的某些特性。这就要求浴缸底部透明平整，尽可能大，边高至少5-6厘米，浴缸放在演示台开口上方，这样整个透明底部就可以从下方被照亮. 照明方面，最好使用 9 伏汽车电灯泡作为点光源，将所研究的过程投射到礼堂的天花板上（图 XNUMX）。

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图 9。超声波的折射和反射。

您也可以使用低功率的普通灯泡。将水倒入浴中，使石英支架中的石英板垂直放置时完全浸入其中。之后，您可以打开发生器，通过将石英支架从垂直位置移动到倾斜位置，观察礼堂天花板上投影中超声波束的传播。这种情况下，可以通过与其连接的导线l和c来固定石英支架，也可以将其预先固定在专用支架上，利用该支架可以平滑地改变超声波束在垂直和垂直方向上的入射角。分别为水平面。超声波束以沿着超声波振动在水中传播的光点的形式被观察到。通过在超声波束的传播路径中放置障碍物，可以观察超声波束的反射和折射。

所描述的设置允许进行其他实验，其性质取决于正在研究的程序和教室的设备。钛酸钡板以及通常在 0,5 MHz 至 4,5 MHz 频率下具有压电效应的任何板都可以作为发电机负载。如果有其他频率的极板，则需要改变电感的匝数（频率低于 0,5 MHz 时增加，频率高于 4,5 MHz 时减少）。将振荡电路和反馈线圈更改为 15 kHz 的频率时，您可以打开任何功率不超过 60 VA 的磁致伸缩转换器，而不是石英

作者：V. Krasnyuk；出版物：N. Bolshakov，rf.atnn.ru

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