Радиоэлектроника-с компьютером и паяльником

Неслышимые звуки

Ультразвуки

Человеческий орган слуха путем длительной эволюции приобрел вполне определенную АЧХ, зависящую от конкретного индивидуума, но в среднем имеющую вид полосно-пропускающего фильтра с нижней границей среза на 20 Гц и верхней — на 20 кГц.

Область пропускания уха относится к звуку, колебания ниже 20 Гц — к инфразвуку, а выше 20 кГц — к ультразвуку. Общеизвестно, что чем выше частота колебаний (в волнах любой природы) и, соответственно, ниже длина волны, тем больше возможность их локализации в пространстве в виде направленных пучков, меньше размеры излучателей и приемников. Однако с ростом частоты растет поглощение волн, а мощность излучателей и чувствительность приемников имеют естественные физиологические или физические ограничения, поэтому существует оптимальная область частот для передачи и приема информации. Природа и человечество изобрели немало способов выхода из этой коллизии в зависимости от конкретных проблем.

Поскольку ультразвук не слышен человеческим ухом, то с его помощью можно скрытно передавать информацию объекту, обладающему обратными свойствами. Этот факт впервые интуитивно открыли безвестные средневековые браконьеры. Охотясь в заповедных королевских лесах Британии, они подавали не слышимые людям звуки своим натасканным собакам. Натасканные псы послушно приносили хитроумным хозяевам, подстреленную с помощью бесшумного же оружия (лук и стрелы), заветную дичь.

«Браконьерский свисток» со временем прошел через техническую эволюцию: превратился в милицейский (с переходом в звуковую область, ввиду противоположной задачи). Он лег в основу и ряда технологических ультразвуковых устройств, интенсифицирующих сложные гидро- и аэромеханические процессы (растворения, фильтрации, коагуляции и т. п.).

Акустические сигналы в виде упругих волн с частотой более 20 кГц используются в пультах дистанционного управления, барьерах охранной сигнализации, гидролокации, линиях задержки, для неразрушающего контроля материалов и т. п.

Мощные ультразвуковые колебания (интенсивностью более 1 Вт/см²) используют в технологии: для пайки алюминия (существуют специальные ультразвуковые паяльники), обезжиривания деталей, размерной механической обработки твердых материалов и т. п.

Ультразвук применяется также в медицине, как для диагностики и терапии, так и в хирургии. Источниками или приемниками ультразвука служат в большинстве случаев электроакустические преобразователи на основе пьезокерамических или магнитострикционных материалов.

Модель пьезокерамического излучателя

В пьезокерамическом излучателе пластинка пьезокристалла имеет металлизацию (обкладки, электроды) с двух сторон и специальный тип крепления. При переменном напряжении определенной частоты пластинка колеблется на этой частоте, излучая звуковые/ультразвуковые волны в окружающее пространство. Амплитуда этих вынужденных колебаний пьезоизлучателя зависит от амплитуды и частоты приложенного напряжения, геометрии, свойств материала пластинки и характера ее закрепления. Постепенно увеличивая частоту внешнего возбуждения, можно обнаружить, что АЧХ механических колебаний имеет резонансный характер, аналогичный кривой АЧХ последовательного электрического контура. Поэтому максимальная интенсивность излучения будет соответствовать возбуждению преобразователя на его резонансной частоте.

Поскольку пьезоизлучатель является колебательной электромеханической системой, то в его электрической модели механические элементы (эффективную колеблющуюся массу и эквивалентную упругость) можно заменить аналогичными электрическими: индуктивностью и емкостью. Потери на нагрев и излучение звука можно учесть резистивными элементами.

Модель пьезопреобразователя, как элемента электрической Цепи, можно представить в виде сложного R-L–C контура. Для этого обратимся к программе EWB.

Вышеизложенное позволяет выбрать в электрической схеме замещения (рис. 117, а) величины индуктивности L_s, моделирующей механическую инерцию (зависящую от массы колеблющейся пластинки, соединенных с ней элементов и «присоединенной массы» воздуха), колебательной емкости, моделирующей упругость пластинки при ее колебаниях C_s, и сопротивления R_s, связанного с внутренними потерями при циклических деформациях.

Здесь, как принято, индексом s отмечены параметры последовательного (serial) контура. Уточняя схему замещения, необходимо еще учесть собственную статическую емкость С₀, образованную между обкладками пьезокварцевой пластинкой и проявляющуюся в отсутствие колебаний.

Рис. 117. Виртуальная модель в EWB пьезоизлучателя:

_{а — схема замещения; б — АЧХ; в — схема исследования модельного компонента; г — окно выбора модели; д — окно редактирования свойств}

Поскольку нас в первую очередь интересует принцип действия устройства, то численные значения параметров выбраны несколько произвольно, но так, чтобы работа модели «полуколичественно» согласовывалась в дальнейшем со схемой возбуждающего генератора.

В данной схеме наблюдаются два резонанса (рис. 117, б) в последовательном контуре — резонанс напряжений (верхний пик) и в параллельном контуре резонанс токов (нижний пик), что хорошо видно на экране Боде-плоттера. Для параметров, указанных на схеме, резонансная частота последовательного контура примерно равна 22 кГц, а для параллельного — выше (67 кГц).

В разделе смесь 

Свойства пьезокварца выбираются в соответствующих последовательно открываемых окнах (рис. 117, г, д).

Параметры выбранного резонатора Р соответствуют использованным в предыдущей схеме замещения (см. рис. 117, а), поэтому АЧХ, получаемая на Боде-плоттере, будет идентична показанной на рис. 117, б, и здесь не приводится.

Для исследования поведения реального излучателя можно воспользоваться следующим устройством.

Миниатюрный излучатель Мастер КИТ АК076

Внешний вид этого излучателя был показан (см. рис. 19, а); его технические характеристики таковы: полоса частот 2,5…45 кГц, размеры 30x14 мм.

Проведя опыты и ознакомившись с пьезоизлучателем, на его основе можно создать полезное устройство для дома, для семьи.

Ультразвуковой свисток для собак Мастер КИТ NK028