О неслышимых звуках

Приложение. УСТРОЙСТВО ПРОСТЕЙШИХ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

После выхода из печати первого издания этой небольшой книги было получено много писем, в которых читатели спрашивали, как можно устроить ультразвуковой генератор. Учитывая большой интерес к ультраакустике, автор дополнил новое издание описанием конструкции простейшего пьезоэлектрического генератора. Приводимые ниже схемы отнюдь не претендуют на техническое совершенство, что может быть оправдано их простотой и тем, что в опытных исследованиях стоимость ультраакустической энергии и, следовательно, коэффициент полезного действия генератора не играет решающей роли.

Необходимо, однако, предупредить читателей о том, что работа пьезоэлектрических генераторов связана с получением относительно высоких электрических напряжений, иногда представляющих опасность для человеческой жизни. Поэтому при устройстве, если так можно выразиться, «любительских» ультразвуковых генераторов рекомендуется ограничиться применением обычных приемно-усилительных ламп, требующих напряжения 250 вольт. В этом случае устройство ультразвукового генератора будет представлять опасность, не большую, чем устройство лампового радиоприемника. Устройство мощных пьезоэлектрических излучателей, требующих напряжений порядка нескольких тысяч вольт, возможно только при наличии соответствующих знаний и при соблюдении необходимых мер предосторожности.

Схема очень простого генератора, вполне надежного в работе, изображена на рис. 76.

На этой схеме Л — простейшая радиолампа — триод (например, лампа 6С5), называемая так потому, что у нее три электрода: отрицательный электрод, или катод; положительный электрод, или анод, и третий электрод — расположенная между ними сетка. Существуют и более сложные лампы, содержащие две сетки — тетроды или три сетки — пентоды. Из этих ламп для устройства ультразвуковых генераторов часто пользуются тетродом 6ПЗ. В этом случае имеющуюся в лампе вторую сетку, называемую экранной, присоединяют к аноду через сопротивление, которое для лампы 6ПЗ можно взять приблизительно равным 40 000–50 000 ом.

Первую, или, как ее называют, управляющую, сетку лампы надо соединить с катодом опять же через сопротивление R. Если при постройке генератора используется лампа 6С5, R берут около 50 000–60 000 ом. Сила анодного тока при этом будет примерно 8 миллиампер. Желая получить более мощные колебания, применяют лампу 6ПЗ. В этом случае сопротивление R можно уменьшить до 20 000–30 000 ом, но так как сила тока будет значительна, надо применять проволочное сопротивление.

Как явствует из схемы, управляющая сетка, помимо катода, соединяется через конденсатор постоянной емкостью приблизительно 1000 пикофарад[3] с концом C катушки самоиндукции, которую надо приготовить самому, сообразуясь с желаемой частотой ультразвуковой волны, создаваемой генератором.

Обычно катушка самоиндукции наматывается из изолированной проволоки на фарфоровом или пластмассовом каркасе. Чаще всего каркас бывает цилиндрической формы. Можно изготовить каркас и из картона. Катушки из очень толстой проволоки наматываются без каркаса.

Данные, необходимые для приготовления катушки генератора на разные интервалы частот, указаны в таблице.

Можно посоветовать при изготовлении катушки сначала рассчитать длину необходимого для нее провода, определить место, от которого должен отходить отвод В, и припаять в этом месте проволочку, а затем уже наматывать проволоку на каркас. Параллельно катушке присоединяется конденсатор переменной емкости С₁ При этом можно воспользоваться обычным радиолюбительским конденсатором максимальной емкостью приблизительно 500 пикофарад.

Конденсатор переменной емкости С₁ и катушка самоиндукции образуют так называемый колебательный контур. Вращая ручку конденсатора и изменяя его емкость, можно плавно изменять частоту колебаний генератора.

В описанной схеме подвижные пластины конденсатора находятся под напряжением и потому ручка, с помощью которой поворачиваются пластины, должна быть изолирована от оси конденсатора.

Кварцевый излучатель присоединяется к концам катушки АС. Для этого кварцевая пластинка с посеребренными противоположными гранями располагается на специальном кварцедержателе.

Простейший кварцедержатель изготовить несложно: для этого к дощечке из изолирующего материала — эбонита, текстолита, плексигласа и т. п. — прикрепляется полированная, медная или латунная пластинка, служащая основанием, на котором располагают колеблющийся кварцевый кристалл.

Контакт с верхней, излучающей, поверхностью кварца делают пружинящим. Материалом для его изготовления может служить тонкая и упругая металлическая фольга.

Для предупреждения проскока искры по краю пластинки кварцедержатель вместе с кварцем помещают в сосуд с изолирующей жидкостью, например трансформаторным маслом.

При колебаниях кварцевой пластинки на поверхности масла возникает легкая рябь. Ее легко заметить, если рассматривать отражение какого-либо предмета на поверхности масла в том месте, под которым расположен кварц.

Интенсивность колебаний излучателя будет максимальной в том случае, если частота колебаний генератора совпадает с частотой собственных колебаний кварцевой пластинки. Как уже говорилось, частота собственных колебаний кварцевых пластинок f зависит от их толщины и может быть определена по формуле f= 2,87/d миллионов герц, в которой d — толщина пластинки в миллиметрах.

Практически генератор конструируют с таким расчетом, чтобы он позволял получать частоты как меньшие, так и большие частоты собственных колебаний имеющейся кварцевой пластинки.

В этом случае, присоединив излучатель к генератору и включив последний, медленно вращают ручку конденсатора, наблюдая одновременно за поверхностью масла над кварцем. При совпадении частоты колебаний генератора с частотой собственных колебаний пластины последняя начнет колебаться, что можно будет заметить по возникновению ряби на поверхности.

Для того чтобы убедиться в исправной работе генератора, устраивают маленький пробный контур, наподобие изображенного на рис. 77, состоящий из нескольких витков изолированной проволоки, концы которой припаяны к цоколю низковольтной электрической лампочки. Если генератор нормально работает, то при поднесении пробного контура к катушке самоиндукции генератора лампочка в контуре зажигается. Если этого не наблюдается, надо проверить монтаж генератора и устранить неполадки, препятствующие нормальной работе.

Для питания генераторов малой мощности можно пользоваться сухими батареями типа БАС-80, которые, однако, не пригодны для питания мощных генераторов. В этом случае источником постоянного тока служит выпрямитель, устройство которого описано в многочисленных руководствах для радиолюбителей.

Следует еще раз напомнить, что действия ультразвука сильно зависят от его мощности и, в частности, большинство химических превращений наблюдается только при действии весьма мощных ультразвуков. Кроме того, в отношении химических превращений наиболее эффективны звуки с частотами в несколько сотен тысяч герц и малоэффективны высокочастотные ультразвуки с частотами в миллионы герц.

При наличии необходимых радиотехнических знаний можно рекомендовать для получения более мощных колебаний собрать генератор, пользуясь схемой, изображенной на рис. 78.

Эта схема рассчитана применительно к радиолампе, характеризуемой следующими данными: напряжение накала 12,6 вольта, ток накала 0,65 ампера, напряжение на аноде 1000 вольт; напряжение на экранной сетке 300 вольт, крутизна 4 миллиампера на вольт. Расстояние между пластинами конденсатора переменной емкости 6–8 миллиметров. Для получения ультразвуковых колебаний частотой 1,5 миллиона герц катушка самоиндукции имеет диаметр 100 миллиметров, а длину 156 миллиметров и содержит 52 витка, намотанные с шагом 3 миллиметра. Диаметр проволоки 1,4 миллиметра. Витки катушки распределяются следующим образом: между сеткой и землей 7 оборотов, между землей и анодом лампы 13 оборотов, между анодом лампы и концом катушки 32 оборота. Более подробные сведения об устройстве генераторов и выпрямителей можно найти в следующих книгах: «Методы экспериментальной электроники», Изд-во иностранной литературы, Москва, 1949; А. М. Бонч-Бруевич, «Применение электронных ламп в экспериментальной физике». Гостехтеоретиздат, 1955; Дж. Маркус, В. Целиф «Техническое применение электронно-ламповых схем», Изд-во иностранной литературы, Москва, 1954; Л. Бергман, «Ультразвук», Изд-во иностранной литературы, 1956.

В заключение полезно повторить некоторые общие соображения, связанные с использованием ультразвуков. В тех случаях, когда ультразвук служит средством исследования: в дефектоскопии. при изучении упругих свойств веществ, при исследовании различных процессов и т. п., следует пользоваться возможно менее интенсивными ультразвуковыми колебаниями, с таким расчетом, чтобы собственное влияние ультразвука было бы наименьшим.

Наоборот, при изучении действия ультразвука необходимы мощные колебания. При этом, как правило, не следует очень значительно повышать частоту ультразвуковых колебаний, так как многие эффекты легче наблюдать при действии ультразвуков не слишком большой частоты.

Для измельчения жидкостей часто оказываются более пригодными механические, а не пьезоэлектрические источники ультразвука. И, наконец, при работе с пьезоэлектрическими генераторами необходимо строго соблюдать соответствующие меры предосторожности, связанные с наличием высоких электрических напряжений.