ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИМПУЛЬСНОГО ГЕНЕРАТОРА УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ В ДИАПАЗОНЕ (0,8 – 3,2) МГц

Научно-технические исследования и разработки в области применения ультразвуковых колебаний ведутся в России и во всем мире уже почти больше века. Эти исследования эффективны и не только не теряют своей актуальности, но и становятся все более популярными в различных областях применения: медицина, электроника, горное дело, строительство, экспериментальные исследования различных научных областей (химия, физика, электроника, электротехника, так далее.), в создании новых технологий производства и сложных технологических устройств, приборов, машин, механизмов и т. д.

Ультразвуковые генераторы имеют очень широкий спектр применения во многих отраслях промышленности, и, как и все технические инженерные решения, нуждаются в постоянной модернизации на основе современных достижений науки и техники.

Цель исследований: разработка, сборка импульсного генератора ультразвуковых колебаний и проведение эксперимента в диапазоне от 0,8 до 3,2 МГц.

Ультразвук (УЗ) - упругие колебания и волны, частота которых превышает (1,5—2) * 104 Гц (15–20 кГц). Нижний предел области частот ультразвука, которая отделяет его от слышимого звука, обусловлен субъективными свойствами человеческого слуха и носит условный характер, поскольку верхний предел восприятия слуха человека имеет значительные различия для разных людей. Верхняя граница ультразвуковых частот обусловлена физической природой упругих волн, которые могут распространяться только в материальной среде, соответственно, при условии, что длина волны намного больше, чем длина свободного пробега молекул в газах или межатомные расстояния в жидкостях и твердых телах. Поэтому в газах верхний предел частот ультразвука определяется из условия приближенного равенства длины звуковой волны и длины свободного пробега молекул; при нормальном давлении оно составляет примерно 109 Гц. Равенство длины волны соответствует расстояниям между атомами является наиболее влиятельным фактором, а предельная частота достигает 1012–1013 Гц. Это применимо при распространении колебаний в жидких и твердых средах. В зависимости от того, какая длины волны и частоты ультразвук имеет специфические особенности излучения, приема, распространения и использования, поэтому диапазон ультразвуковых частот удобно разделить на три субрегиона: низкие ультразвуковые частоты (1,5*104 —105 Гц), средние (105—107 Гц) и высокие (107—109 Гц). Упругие волны с частотами 109—1013 Гц называются гиперзвуком.

Одной из важнейших частей ультразвукового аппарата является электронный генератор - устройство, которое преобразует энергию электрической промышленной сети в энергию электрических колебаний ультразвуковой частоты. 

Интересной и перспективной является схема генератора с независимым возбуждением. Отдельным генератором малой мощности воспроизводятся электрические колебания УЗ частоты, в генераторах с независимым возбуждением - задающий генератор. Условия получения необходимого электрического сигнала и обеспечения его изменения при регулировке получаются из-за малой мощности задающего генератора.

В дальнейшем сигнал с задающего генератора усиливается каскадом предварительного усиления, что обеспечивает необходимые условия работы выходного каскада, после чего убирается влияние усилителя мощности на режим работы задающего генератора.

Выходной каскад доводит до необходимой величины на выходе генератора  мощность усилителя. При помощи колебательного контура выходной сигнал согласовывается с ультразвуковой колебательной системой. Это дает возможность компенсировать реактивные составляющие токов и напряжений преобразователя.

Весьма прост в использовании реализации, генератор с независимым возбуждением, Такой генератор может позволить обеспечить плавную регулировку его рабочей частоты в широких пределах

Схема экспериментальной установки представлена на рисунке

Рисунок 1. Схема экспериментальной установки

Пьезоэлектрический излучатель ультразвука выполнен на базе промышленного пьезокристалла цирконата-титаната свинца (ЦТС-19). Данный пьезоизлучатель вмонтирован в металлический цилиндр диаметром равным45 мм. Излучение ультразвука снимается пьезопреобразователем (гидрофоном) промышленного производства. Пьезопреобразователь прикреплен с противоположной стороны трубы, в которую наливалась вода.

Рассмотрим коэффициент гармоник на основе БПФ (блок преобразования Фурье) на цифровом осциллографе. Измерения будем проводить на частотах f₁=0.9 МГц, f₁=1 МГц, f₁=1.1 МГц. 

Как видно из рисунка, измерения проводились на частоте f1=0.9 МГц. Коэффициент гармоник получился k = -16,4dB, т.е k составляет 15%.Теперь проведем измерения на частоте f2=1МГц:

Итак, при частоте f2=1 МГц, коэффициент гармоник получается k =– 21,6 dB. При – 21,6 dB, k будет составлять менее 1%.

Рассмотрим частоту f3=1.1 МГц:

Выставили частоту f3=1.1 МГц, получили коэффициент гармоник равным k= – 29,6 dB. При -29,6 dBk будет составлять менее 0,05%.

Рисунок 2. F1=800 Кгц

Рисунок 3. F4 =1,1 МГц

Теперь рассчитаем выходные параметры нашей системы. Мы подавали на вход напряжение U=100В, а на выходе (через эквивалентную нагрузку R=36 Ом) получали напряжение U=60В, таким образом мы можем рассчитать выходную мощность нашего генератора, т.к UН = 60В, то выходная мощность на 100В, будет ровна P = 50Вт.

Итак, мы получили выходную мощность, равную PU = 50Вт, Также мы можем рассчитать максимальную выходную мощность нашего генератора, т.к наша установка запитывается от источника постоянного напряжения с регулировкой напряжения от 30 до 300В, то на вход мы можем подать напряжение U = 300В, в итоге на выходе через эквивалентную нагрузку мы получим выходную мощность P = 450Вт.

Список литературы:

1. Брысев А. П., Юров В. Ю. Возбуждение колебаний границы несмешивающихся жидкостей импульсным ультразвуковым пучком, параллельным границе раздела //Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики. – 2014. – Т. 99. – №. 2. – С. 94-98.
2. Бычков А. В., Славутский Л. А. Возможности корреляционной обработки импульсных ультразвуковых сигналов при бесконтактномвиброконтроле оборудования электроэнергетики //Вестник Чувашского университета. – 2018. – №. 3.
3. Михайлов А. В. и др. Электромагнитно-акустический преобразователь с импульсным подмагничиванием //Дефектоскопия. – 2015. – №. 8. – С. 14-23.
4. Резников И. И. и др. Физические основы использования ультразвука в медицине //М.: РНИМУ им. НИ Пирогова. – 2015.
5. Хмелев В. Н. и др. Исследование работы электронного генератора ультразвукового технологического аппарата в импульсном режиме //Ползуновский вестник. – 2014. – №. 2. – С. 194.