Installation ultrasonique de démonstration. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique

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L'article décrit la conception de la configuration à ultrasons la plus simple conçue pour démontrer des expériences avec des ultrasons. L'installation se compose d'un générateur de vibrations ultrasonores, d'un émetteur, d'un dispositif de focalisation et de plusieurs dispositifs auxiliaires qui vous permettent de démontrer diverses expériences expliquant les propriétés et les méthodes d'utilisation des vibrations ultrasonores.

En utilisant la configuration ultrasonore la plus simple, on peut montrer la propagation des ultrasons dans divers milieux, la réflexion et la réfraction des ultrasons à la frontière de deux milieux et l'absorption des ultrasons dans diverses substances. De plus, il est possible de montrer la production d'émulsions d'huile, le nettoyage des pièces contaminées, le soudage par ultrasons, la fontaine de liquide à ultrasons, l'effet biologique des vibrations ultrasonores.

La fabrication d'une telle installation peut être réalisée dans des ateliers scolaires par des lycéens.

L'installation de démonstration d'expériences avec des ultrasons se compose d'un générateur électronique (Fig. 1), d'un convertisseur à quartz d'oscillations électriques en ultrasons et d'un récipient à lentilles (Fig. 2) pour focaliser les ultrasons. Seul le transformateur de puissance Tr1 est inclus dans l'alimentation, car les circuits d'anode des lampes du générateur sont alimentés directement en courant alternatif (sans redresseur). Une telle simplification n'affecte pas négativement le fonctionnement de l'appareil et en même temps simplifie considérablement sa disposition et sa conception.

Le générateur électronique est réalisé selon un circuit push-pull sur deux lampes 6PZS connectées selon un circuit triode (les grilles écran des lampes sont connectées aux anodes). Le circuit L1C2, qui détermine la fréquence des oscillations générées, est inclus dans les circuits d'anode des lampes, et la bobine de rétroaction L2 est incluse dans les circuits de grille. Une petite résistance R1 est incluse dans les circuits cathodiques, ce qui détermine en grande partie le mode des lampes.

Fig. 1. Schéma de principe du générateur

Le signal haute fréquence est envoyé au résonateur à quartz via les condensateurs de couplage C4 et C5. Le quartz est placé dans un support de quartz hermétique (Fig. 2) et connecté au générateur avec des fils de 1 m de long.

Riz. 2. Récipient de lentille et support de quartz

Outre les détails considérés, il existe également des condensateurs C1 et C3 dans le circuit, ainsi qu'une inductance Dr1 à travers laquelle la tension d'anode est appliquée aux anodes des lampes. Cette inductance empêche le court-circuit du signal haute fréquence à travers le condensateur C1 et la capacité inter-spires du transformateur de puissance.

Les principales parties artisanales du générateur sont les bobines L1 et L2, réalisées sous la forme de spirales plates. Pour leur fabrication, il est nécessaire de découper un gabarit en bois. Deux carrés sont découpés dans une planche de 25 cm de large, qui servent de joues au gabarit. Au centre de chaque joue, des trous doivent être percés pour une tige métallique d'un diamètre de 10-15 mm, et dans l'une des joues, un trou ou une rainure de 3 mm de large doit être découpé pour fixer la sortie de la bobine. Un fil est coupé sur une tige métallique aux deux extrémités et des joues sont placées entre deux écrous à une distance égale au diamètre du fil enroulé. Sur ce, la fabrication du gabarit peut être considérée comme terminée et procéder au bobinage des bobines.

La tige métallique est serrée à une extrémité dans un étau, le premier tour (intérieur) du fil est placé entre les joues, après quoi les écrous sont serrés et l'enroulement continue. La bobine L1 a 16 tours et la bobine L2 a 12 tours de fil de cuivre d'un diamètre de 3 mm. Les bobines L1 et L2 sont fabriquées séparément, puis placées l'une au-dessus de l'autre sur une traverse en textolite ou en plastique (Fig. 3). Afin de donner aux bobines une plus grande résistance, des évidements sont découpés dans les croix avec une scie à métaux ou une lime. Pour fixer les bobines, l'une d'elles doit être pressée par le haut avec une deuxième croix (sans évidements), et la seconde doit être placée directement sur une plaque de verre organique, de getinaks ou de plastique, montée sur un châssis métallique du générateur.

Fig. 3

L'inductance haute fréquence est enroulée sur un cadre en céramique ou en plastique d'un diamètre de 30 mm avec un fil PELSHO-0,25 mm. Le bobinage est réalisé en vrac par tronçons de 100 tours chacun. Au total, l'accélérateur a 300 à 500 tours. Dans cette conception, un transformateur de puissance fabriqué par nos soins est utilisé, fabriqué sur un noyau de plaques Sh-33, l'épaisseur de l'ensemble est de 33 mm. L'enroulement du réseau contient 544 tours de fil PEL-0,45. L'enroulement du réseau est conçu pour être connecté à un réseau avec une tension de 127 V. Dans le cas de l'utilisation d'un réseau avec une tension de 220 V, l'enroulement I doit contenir 944 tours de fil PEL-0,35. L'enroulement élévateur a 2980 tours de fil PEL-0,14 et l'enroulement filamentaire des lampes a 30 tours de fil PEL-1,0. Un tel transformateur peut être remplacé par un transformateur de puissance de la marque ELS-2, n'utilisant que l'enroulement secteur, l'enroulement filamentaire des lampes et l'enroulement élévateur complètement, ou par tout transformateur de puissance d'une puissance d'au moins 70 VA et avec un enroulement élévateur, fournissant à une charge de 470 V aux anodes des lampes 6PZS.

Le porte-quartz est en bronze selon le dessin placé sur la fig. 4. Dans le boîtier, à l'aide d'une perceuse d'un diamètre de 3 mm, un trou en forme de L est percé pour faire sortir le fil 0,2. Un anneau en caoutchouc e est inséré dans le boîtier, qui sert à amortir et à isoler le quartz. L'anneau peut être découpé dans une gomme à crayon ordinaire. L'anneau de contact b est découpé dans une feuille de laiton de XNUMX mm d'épaisseur. Cet anneau a une languette pour souder le fil. Les deux fils l et et doivent avoir une bonne isolation. Le fil et est soudé à la bride de support O. Il n'est pas recommandé de torsader les fils ensemble.

Fig.4. porte-quartz

Le vaisseau cristallinien se compose d'un cylindre e et d'une lentille à ultrasons b (Fig. 5). Le cylindre est plié à partir d'une plaque de plexiglas de 3 mm d'épaisseur sur un gabarit rond en bois de 19 mm de diamètre.

Fig.5. navire de lentille

La plaque est chauffée au-dessus d'une flamme jusqu'à ce qu'elle soit ramollie, pliée selon un modèle et collée avec de l'essence de vinaigre. Le cylindre collé est attaché avec des fils et laissé sécher pendant deux heures. Après cela, les extrémités du cylindre sont alignées avec du papier de verre et les fils sont retirés. Pour fabriquer une lentille à ultrasons b, vous devez fabriquer un dispositif spécial (Fig. 6) à partir d'une bille d'acier d'un diamètre de 18-22 mm à partir d'un roulement à billes. La balle doit être recuite en la chauffant à une chaleur rouge et en la refroidissant lentement. Après cela, un trou d'un diamètre de 6 mm est percé dans la boule et un filetage interne est coupé. Pour fixer cette bille dans le mandrin d'une perceuse, il est nécessaire de fabriquer une tige avec un filetage à une extrémité à partir d'une tige.

Fig.6. fixation

La tige avec la boule vissée est serrée dans le mandrin de la machine, la machine est allumée à vitesse moyenne et en pressant la boule dans une plaque de verre organique de 10 à 12 mm d'épaisseur, l'évidement sphérique requis est obtenu. Lorsque la bille s'approfondit à une distance égale à son rayon, la perceuse est éteinte et, sans cesser d'appuyer sur la bille, elle est refroidie à l'eau. En conséquence, un évidement sphérique de la lentille à ultrasons est obtenu dans la plaque de verre organique. Un carré de 36 mm de côté est découpé avec une scie à métaux dans une plaque avec un évidement, la saillie annulaire formée autour de l'évidement est nivelée avec du papier de verre à grain fin et la plaque est meulée par le bas de sorte qu'il reste un fond de 0,2 mm d'épaisseur au centre de la niche. Ensuite, les endroits rayés avec du papier de verre sont polis jusqu'à la transparence et les coins sont coupés sur un tour afin que l'évidement sphérique reste au centre de la plaque. Sur la face inférieure de la plaque, il est nécessaire de réaliser une saillie de 3 mm de haut et de 23,8 mm de diamètre pour centrer la lentille sur le porte-quartz.

Après avoir abondamment humidifié l'une des extrémités du cylindre avec de l'essence acétique ou du dichloroéthane, celui-ci est collé à la lentille à ultrasons de sorte que l'axe central du cylindre coïncide avec l'axe passant par le centre de la lentille. Après séchage, trois trous sont percés dans le récipient collé pour les vis de réglage. Il est préférable de faire tourner ces vis avec un tournevis spécial en fil ordinaire de 10-12 cm de long et de 1,5-2 mm de diamètre et équipé d'un manche en matériau isolant. Après la fabrication de ces pièces et l'installation du générateur, vous pouvez commencer à configurer l'appareil, ce qui revient généralement à régler le circuit L1C2 en résonance avec la fréquence naturelle du quartz. La plaque de quartz de la (Fig. 4) doit être lavée avec du savon à l'eau courante et séchée. La bague de contact b est nettoyée par le haut pour faire briller. Poser délicatement une plaque de quartz sur le dessus de la bague de contact et, après avoir déposé quelques gouttes d'huile de transformateur sur les bords de la plaque, visser le couvercle d afin qu'il appuie sur la plaque de quartz. Pour indiquer les vibrations ultrasonores, les évidements a et d du couvercle sont remplis d'huile de transformateur ou de kérosène. Après avoir allumé l'alimentation et réchauffé pendant une minute, tournez le bouton de réglage et obtenez une résonance entre les oscillations de l'oscillateur à plaque de quartz. Au moment de la résonance, on observe le gonflement maximal du liquide versé dans l'évidement du couvercle. Après avoir configuré le générateur, vous pouvez commencer à faire des démonstrations d'expériences.

Conception de générateur.

L'une des démonstrations les plus efficaces est la production d'une fontaine de liquide sous l'action de vibrations ultrasonores. Afin d'obtenir une fontaine de liquide, vous devez placer le récipient "lentille" sur le dessus du support de quartz afin qu'aucune accumulation de bulles d'air ne se forme entre le fond du récipient "lentille" et la plaque de quartz. Ensuite, il doit être versé dans le récipient de lentille d'eau potable ordinaire et une minute après la mise en marche du générateur, une fontaine à ultrasons apparaîtra à la surface de l'eau. La hauteur de la fontaine peut être modifiée à l'aide des vis de réglage, après avoir préalablement réglé le générateur à l'aide du condensateur C2. Avec le réglage correct de l'ensemble du système, vous pouvez obtenir une fontaine à eau de 30 à 40 cm de haut (Fig. 7).

Fig.7. fontaine à ultrasons.

Simultanément à l'apparition de la fontaine, un brouillard d'eau apparaît, résultat d'un processus de cavitation, accompagné d'un sifflement caractéristique. Si de l'huile de transformateur est versée dans le récipient "lentille" au lieu d'eau, la fontaine augmente sensiblement en hauteur. L'observation continue de la fontaine peut être effectuée jusqu'à ce que le niveau de liquide dans le récipient "lentille" tombe à 20 mm. Pour une observation à long terme de la fontaine, il est nécessaire de la protéger avec un tube en verre B, le long des parois intérieures duquel le liquide de la fontaine peut refluer.

Lorsque des vibrations ultrasonores sont appliquées à un liquide, des bulles microscopiques s'y forment (phénomène de cavitation), ce qui s'accompagne d'une augmentation significative de la pression au site de formation des bulles. Ce phénomène conduit à la destruction de particules de matière ou d'organismes vivants dans le liquide. Si un petit poisson ou une daphnie est placé "dans une lentille" contenant de l'eau, après 1 à 2 minutes d'irradiation aux ultrasons, il mourra. La projection du récipient "lentille" avec de l'eau sur l'écran permet d'observer successivement tous les processus de cette expérience dans un grand auditorium (Fig. 8).

Fig.8. Effet biologique des vibrations ultrasonores.

À l'aide de l'appareil décrit, il est possible de démontrer l'utilisation d'ultrasons pour nettoyer de petites pièces de la contamination. Pour ce faire, une petite pièce (un engrenage d'horloge, une pièce de métal, etc.), richement lubrifiée avec de la graisse, est placée à la base de la fontaine à liquide. La fontaine diminuera considérablement et pourra s'arrêter complètement, mais la partie contaminée est progressivement nettoyée. Il convient de noter que le nettoyage des pièces par ultrasons nécessite l'utilisation de générateurs plus puissants. Par conséquent, il est impossible de nettoyer toute la partie contaminée en peu de temps et vous devez vous limiter à nettoyer quelques dents.

En utilisant le phénomène de cavitation, une émulsion d'huile peut être obtenue. Pour ce faire, de l'eau est versée dans le récipient "lentille" et un peu d'huile de transformateur est ajoutée par-dessus. Pour éviter les éclaboussures de l'émulsion, il est nécessaire de couvrir le récipient de la lentille avec le contenu avec du verre. Lorsque le générateur est allumé, une fontaine d'eau et d'huile se forme. Après 1-2 min. irradiation dans le vaisseau de la lentille, une émulsion laiteuse stable se forme.

On sait que la propagation des vibrations ultrasonores dans l'eau peut être rendue visible et certaines des propriétés des ultrasons peuvent être clairement démontrées. Cela nécessite un bain avec un fond transparent et uniforme et aussi grand que possible, avec une hauteur latérale d'au moins 5-6 cm.Le bain est placé au-dessus de l'ouverture de la table de démonstration afin que tout le fond transparent puisse être éclairé par le bas . Pour l'éclairage, il est bon d'utiliser une ampoule électrique de six volts pour automobile comme source lumineuse ponctuelle pour projeter les processus étudiés sur le plafond de l'auditorium (fig. 9).

Fig.9. Réfraction et réflexion des ondes ultrasonores.

Vous pouvez également utiliser une ampoule ordinaire de faible puissance. De l'eau est versée dans le bain de sorte que la plaque de quartz dans le support de quartz, lorsqu'elle est placée verticalement, y soit complètement immergée. Après cela, vous pouvez allumer le générateur et, en déplaçant le support de quartz d'une position verticale à une position inclinée, observez la propagation d'un faisceau ultrasonore dans une projection au plafond de l'auditorium. Dans ce cas, le support de quartz peut être maintenu par les fils l et c qui lui sont connectés, ou il peut être préfixé dans un support spécial, avec lequel vous pouvez modifier en douceur les angles d'incidence du faisceau ultrasonique dans le sens vertical et plans horizontaux, respectivement. Le faisceau ultrasonore est observé sous forme de taches lumineuses situées le long de la propagation des vibrations ultrasonores dans l'eau. En plaçant un obstacle sur le chemin de propagation du faisceau ultrasonore, il est possible d'observer la réflexion et la réfraction du faisceau.

Le montage décrit permet d'autres expérimentations dont la nature dépend du programme étudié et de l'équipement de la classe. Les plaques de titanate de baryum et, en général, toutes les plaques qui ont un effet piézoélectrique à des fréquences de 0,5 MHz à 4,5 MHz peuvent être incluses en tant que charge de générateur. S'il existe des plaques pour d'autres fréquences, il faut modifier le nombre de spires des inductances (augmenter pour les fréquences inférieures à 0,5 MHz et diminuer pour les fréquences supérieures à 4,5 MHz). Lors de la modification du circuit oscillant et de la bobine de rétroaction à des fréquences de 15 kHz, vous pouvez activer n'importe quel convertisseur magnétostrictif d'une puissance ne dépassant pas 60 VA au lieu du quartz

Auteur : V. Krasnyuk ; Publication : N. Bolchakov, rf.atnn.ru

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