Ультразвуковая пушка. Ванны ультазвуковой очистки с погружными излучателями Мощные ультразвуковые излучатели
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.
Ультразвук - это не слышимые человеком упругие акустические волны, частота которых превышает 20 кГц. Принято различать низкочастотные (20…100 кГц), среднечастотные (0.1… 10 МГц) и высокочастотные (более 10 МГц) ультразвуковые колебания. Несмотря на кил мегагерцы, ультразвуковые волны не следует путать с радиоволнами и радиочастотами. Это абсолютно разные вещи!
По своей физической природе ультразвук ничем не отличается от обычного слышимого звука. Частотная граница между звуковыми и ультразвуковыми волнами условна, она определяется субъективными свойствами человеческого слуха. Для справки, колебания высокой частоты хорошо чувствуют животные (в том числе и домашние), а для летучих мышей и дельфинов они являются жизненно важными.
Ультразвук, благодаря малой длине волны, хорошо распространяется в жидкостях и твёрдых телах. Например, ультразвуковые волны в воде затухают примерно в 1000 раз меньше, чем в воздухе. Отсюда следуют основные сферы их применения: гидролокация, неразрушающий контроль изделий, «звуковидение», молекулярная и квантовая акустика.
Для генерации ультразвуковых колебаний используют следующие виды излучателей (англ. «ultrasonic transducer»):
Пьезокерамические (piezo);
Электростатические (electrostatic);
Электромагнитные (electromagnetic).
Для последнего варианта годятся даже обычные высокочастотные звуковые громкоговорители (на сленге «пищалки»), которые имеют достаточный КПД для генерации сигналов в ближнем ультразвуковом диапазоне 20…40 кГц.
Пьезокерамические ультразвуковые излучатели (Табл. 2.10) выпускаются, как правило, в паре с согласованными по частоте пьезо приёмниками. Типовые параметры «ультразвукового тандема»: частота резонанса 37…45 кГц, уровень звукового давления на расстоянии 30 см - 95…105 дБ(А), рабочее напряжение 12…60 В, ёмкость 1000…3000 пФ, выходной импеданс передатчика 200…500 Ом, входной импеданс приёмника 10…30 кОм.
Таблица 2.10. Параметры ультразвуковых излучателей
На обкладки ультразвуковых пьезоизлучателей рекомендуется подавать не однополярные, а разнополярные импульсы, т.е. в паузах формировать напряжение обратной полярности. Это способствует ускоренному разряду эквивалентной ёмкости излучателя и повышению быстродействия.
На Рис. 2.53, а…л приведены схемы подключения ультразвуковых излучателей к MK. Для формирования разнополярных импульсов широко используются транзисторные мосты и разделительные трансформаторы. Если снизить частоту генерации, то приведенные схемы подойдут «один к одному» и для слышимого диапазона, т.е. для рассмотренных ранее звуковых пьезокерамических излучателей.
Рис. 2.53. Схемы подключения ультразвуковых излучателей к MK (начало):
а) сглаживание формы сигнала, подаваемого на ультразвуковой излучатель BQ1, с помощью катушки индуктивности L1. Резистором R1 регулируется амплитуда;
б) транзисторы VT1, VT2 попеременно открываются короткими импульсами от MK. Для надёжности следует выбирать транзисторы с большим допустимым коллекторным током, чтобы они не вышли из строя при низком омическом сопротивлении катушки индуктивности L1\
в) конденсатор C1 дифференцирует сигнал и устраняет постоянную составляющую, что позволяет подключить ультразвуковой пьезоизлучатель BQ1 к двухполярному источнику питания;
г) маломощный ультразвуковой приёмопередатчик. Делитель R1, R2 определяет рабочую точку АЦП MK при приёме сигнала и амплитуду выходных импульсов при передаче сигнала;
д) приёмопередатчик ультразвукового дальномера. Частота импульсов 36…465 кГц, напряжение на излучателе BQ1 50…100 В (максимум подбирается конденсатором C3). Диоды VD1, VD2 ограничивают сигнал для приёмника. Трансформатор 77 содержит в обмотках I, II по 15 витков провода ПЭВ-0.3, в обмотке III - 100…200 витков ПЭВ-0.08 (кольцо M2000HM K10x6x5); О
О Рис. 2.53. Схемы подключения ультразвуковых излучателей к MK (продолжение):
е) применение логической микросхемы DD1 аппаратно устраняет одновременное открывание транзисторов одного плеча. Импульсные помехи, возникающие в цепи питания из-за неодновременного переключения инверторов DD1.l…DD13 и разброса ВАХ транзисторов, устраняются фильтром L /, C1. Диоды VD1… VD4ставятся в случае замены звукового ВЧ-динамика BA1 (10ГД-35, 6ГД-13, 6ГДВ-4) более мощным ультразвуковым пьезоизлучателем;
ж) увеличение мощности излучателя BQ1 с помощью удвоителя напряжения на микросхеме DD1 и повышенного питания +9…+ 12 В. Транзистор VT1 согласует логические уровни;
з) увеличение амплитуды напряжения на излучателе BQJ происходит ввиду повышенного напряжения питания +9 В и накопления энергии в дросселе L1\
и) полевые транзисторы K77, VT2 (замена IRF7831) снижают потери энергии при коммутации. Резисторы R1, R2 не дают открываться транзисторам при рестарте MK; О
О Рис. 2.53. Схемы подключения ультразвуковых излучателей к MK (окончание):
к) ультразвуковой эхолокатор работает на частоте 40 кГц и генерирует импульсы длительностью 0.4 мс. Амплитуда сигнала на пьезоизлучателе BQ1 (фирма Murata) достигает 160 В. Индуктивность вторичной обмотки трансформатора T1 совместно с ёмкостью пьезоизлучателя BQ1 образует колебательный контур, настроенный на частоту, близкую к 40 кГц. Индуктивность первичной обмотки трансформатора T1 - 7.1 МК Гн, вторичной - 146 МК Гн, добротность Q > 80;
л) ультразвуковой гидроионизатор работает на частоте 1.8…2 МГц. Трансформатор T1 наматывается на трёх сердечниках 50BH K20x 10×5. Обмотки I и II содержат по 4 витка сложенного втрое провода ПЭВ-0.3, обмотка III - 12 витков провода ПЭВ-0.3. Катушка L1 содержит 5 витков провода ПЭВ-0.8 на оправке диаметром 8 мм с шагом 1 мм. Излучатель BQ1 имеет диаметр 30 мм (пьезокерамика ЦТС). Резистором R1 снижаются выбросы напряжения на стоке VT1.
С малых дистанций. Естественно я сразу же захотел сделать подобную самоделку, поскольку она довольно эффектная и на практике показывает работу электромагнитных импульсов. В первых моделях ЭМИ излучателя стояли несколько высоко ёмкостных конденсаторов из одноразовых фотоаппаратов, но данная конструкция работает не очень хорошо, из-за долгой "перезарядки". Поэтому я решил взять китайский высоковольтный модуль (который обычно используется в электрошокерах) и добавить к нему "пробойник". Данная конструкция меня устраивала. Но к сожалению у меня сгорел высоковольтный модуль и поэтому я не смог отснять статью по данной самоделке, но у меня было отснято подробное видео по сборке, поэтому я решил взять некоторые моменты из видео, надеюсь Админ будет не против, поскольку самоделка реально очень интересная.
Хотелось бы сказать что всё это было сделано в качестве эксперимента!
И так для ЭМИ излучателя нам понадобится:
-высоковольтный модуль
-две батарейки на 1,5 вольта
-бокс для батареек
-корпус, я использую пластиковую бутылку на 0,5
-медная проволока диаметром 0,5-1,5 мм
-кнопка без фиксатора
-провода
Из инструментов нам понадобится:
-паяльник
-термо клей
И так первым делом нужно намотать на верхнюю часть бутылки толстую проволоку примерно 10-15 витков, виток к витку (катушка очень сильно влияет на дальность электромагнитного импульса, лучше всего показала себя спиральная катушка диаметром 4,5 см) затем отрезаем дно бутылки
Берём наш высоковольтный модуль и припаиваем обязательно к входным проводам питание через кнопку, предварительно вынув батарейки из бокса
Берём трубочку от ручки и отрезаем от неё кусочек длиной 2 см:
Один из выходных проводов высоковольтника вставляем в отрезок трубочки и приклеиваем так как показано на фото:
С помощью паяльника проделываем отверстие с боку бутылки, чуть больше диаметра толстой проволоки:
Самый длинный провод вставляем через отверстие внутрь бутылки:
Припаиваем к нему оставшийся провод высоковольтника:
Располагаем высоковольтный модуль внутри бутылки:
Проделываем ещё одно отверстие с боку бутылки, диаметром чуть больше диаметра трубочки от ручки:
Вытаскиваем отрезок трубочки с проводом через отверстие и крепко приклеиваем и изолируем термо клеем:
Затем берём второй провод от катушки и вставляем его внутрь куска трубочки, между ними должен остаться воздушный зазор, 1,5-2 см, подбирать нужно экспериментальным путём
укладываем всю электронику внутрь бутылки, так чтобы ни чего не замыкало, не болталось и было хорошо заизолировано, затем приклеиваем:
Делаем ещё одно отверстие по диаметру кнопки и вытаскиваем её изнутри, затем приклеиваем:
Берём отрезанное дно, и обрезаем его по краю, так чтобы оно смогло налезть на бутылку, надеваем и приклеиваем:
Ну вот и всё! Наш ЭМИ излучатель готов, осталось только его протестировать! Для этого берём старый калькулятор, убираем ценную электронику и желательно одеваем резиновые перчатки, затем нажимаем на кнопку и подносим калькулятор, в трубочке начнёт происходить пробои электрического тока, катушка начнёт испускать электромагнитный импульс и наш калькулятор сначала сам включится, а потом начнёт рандомно сам писать числа!
До этой самоделки я делал ЭМИ на базе перчатки, но к сожалению отснял только видео испытаний, кстати с этой перчаткой я ездил на выставку и занял второе место из-за того что плохо показал презентацию. Максимальная дальность ЭМИ перчатки составляла 20 см. Надеюсь эта статья была вам интересна, и будьте осторожны с высоким напряжением!
Есть такая наука - вредология. Сколько бы люди не изобретали всякого полезного, рано или поздно всё равно это будет применяться во вред.
Ультразвук давно используется в некоторых видах стиральных машин, локаторах, сигнализациях, в промышленности. Но основным предназначением данного устройства является нанесение повреждений. Многие слышали о методах борьбы ультразвуком с кротами, мышами, комарами. А сейчас мы будем делать УЛЬТРАЗВУКОВУЮ ПУШКУ для атаки на человека. Занимаясь аудиотехникой - настройкой акустических систем, я обнаружил интересный эффект: при подаче сигнала на ВЧ динамик, и постепенном повышении его частоты, наступает момент, когда звук (свист) уже не воспринимается слухом, но начинает ощутимо болеть голова. Другими словами тончайший свист уже не слышен (ни источник, ни наличие), но воздействие идёт очень неприятное. Даже после отключения УЗ пушки, некоторое время сохраняются неприятные ощущения. Схема ультразвуковой пушки не содержит дорогих деталей и собирается за вечер.
Внимание! На схеме транзисторы нарисованы неправильно - вот как надо подключать:
Основой устройства является цифровая микросхема - 6 логических инверторов СD4049 или HEF4049. Для замены на советскую К561ЛН2 потребуется несколько изменить цоколёвку подключения. В качестве мощного звукоизлучателя ультразвуковой пушки берём ВЧ динамик от колонки, например 5ГДВ-6, 10ГДВ-4, 10ГДВ-6 или любой другой от старых советских колонок, чем помощнее. Вся конструкция вмещается в металлический корпус от светильника, питается от любого источника 5-10 В, с током отдачи 1 А. Например 4 пальчиковых или один 6-ти вольтовый свинцовый аккумулятор.
Как видите, ультразвуковая пушка получается очень компактной и автономной. Использовать можно для скорейшего ухода ненужных гостей (у которых вдруг разболится голова), диверсий на занятиях в классе, разгона компании пьяных шакалов под окнами, "отпугивания" начальства от Вашего рабочего места... В общем эта УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ПУШКА, на мой взгляд, обязательно найдёт применение. Тем более сейчас, с наступлением лета, актуальной становится проблема упырей - комаров. Словив пару штук и поместив их в банку (почему пару? чтоб не скучно было), медленно изменяя частоту генерации облучаем их ультразвуком. Когда их начнёт колбасить - запоминаем частоту и ставим на окне ультразвуковую пушку, как заслон от этих вампиров. Ещё одна схема
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.
