2.3. Монтаж и настройка ультразвукового отпугивателя

Монтаж и настойку устройства в этом случае производят так. На плату устанавливают все детали, кроме резисторов R1’—R6’. Между общим проводом и точкой соединения резистора R4 и конденсатора C2 временно подключают ре-зистор, номинал которого равен сопротивлению параллельно соединенных резисторов R1'—R6' (при указанных на рис. 2.5 можно использовать резистор сопротивлением 6,8 кОм). Подбором резистора R5 добиваются работы ультразвукового генератора на частоте 100 кГц. После этого временный резистор исключают и устанавливают на плату резисторы R1’—R6’. Затем настраивают низкочастотный генератор, как было описано выше.

Проконтролировать работу устройства можно на слух, если параллельно конденсатору c2 ультразвукового генератора подключить дополнительный.

2.4. Расчет пьезоэлектрического излучателя.

2.4.1. Теоретические сведения

В качестве материала пьезопреобразователей в настоящее время используется пьезокерамика ЦТС, обладающая высоким пьезомодулем, значительной диэлектрической проницаемостью, малой гигроскопичностью, сравнительно большой электрической и механической прочностью. Основными параметрами и характеристиками пьезокерамики, определяющими возможность ее использования в качестве ультразвуковых преобразователей, являются: пьезомодуль d₃₃, диэлектрическая проницаемость ε, тангенс угла диэлектрических потерь tg δ и зависимости их от температуры и напряженности электрического поля; модуль Юнга Е, стабильность физических параметров во времени [10].

Эффективность работы преобразователя в режиме излучения зависит от величины (d₃₃Е)². В табл. 2.1 приведены основные физико-механические характеристики пьезокерамических материалов. Сравнительно высокими качественными показателями обладают твердые растворы цирконата титаната свинца ЦТССт -3 и ЦТБС - 3. Пьезокерамика ЦТС обладает высокой точкой Кюри, большим пьезомодулем, в несколько раз превышающим таковой у титаната бария, малыми диэлектрическими потерями в сильных полях.

Пьезоэлектрические преобразователи, используемые в ультразвуковых установках, являются, как правило, резонансными системами, работающими на частотах основного резонанса или нечетных гармоник.

2.1.2 Геометрический расчет

Излучатель состоит из пластины (круглой или прямоугольной), толщина d которой на частоте основного резонанса f₀ определяется выражением:

d = λ/2 = c/2f₀.

Здесь λ – длина волны в материале излучателя.

Многослойный или составной преобразователь (рис. 2.6) представляет

Рисунок 2.6. Многослойный (составной) пьезоизлучатель

собой систему, состоящую из жестко соединенных пластин, одна из которых изготовлена из пьезокерамики и имеет толщину

d = λ/4 = c/4f₀,

а две другие - из металла и имеют толщину

d₁ = λ₁/24 = c₁/24f₀,

d₂ = λ₂/4 = c₂/4f₀,

где λ₁и c₁ – соответственно длина волны и скорость звука в металле.

Чтобы уменьшить питающее напряжение и осуществить заземление верхней и нижней накладок, пьезоэлемент часто набирают из двух пьезокерамических пластин толщиной l/2. При этом все сопротивление преобразователя на резонансной частоте составляет четвертую часть сопротивления преобразователя с одним пьезоэлементом толщиной l, а напряжение возбуждения уменьшается в два раза. Используем 2 серийно-выпускаемых диска ЖГКД757681.025-05 размером 50х4,0 мм из керамики ЦТССт-3.

Площадь излучения

S =D²/4,

S = 3,14(5010^-3)/4 = 19,610^-4 м².

Тогда удельная акустическая мощность составит

Присоединение к плоскому пьезоэлементу дополнительных масс накладок увеличивает общую высоту полуволнового излучателя и снижает его частоту. Материалом излучающей накладки служит дюралюминий, у которого коэффициент затухания значительно меньше, чем у стали, а материалом отражающей накладки – сталь 45.

Такой выбор материалов обусловлен также тем, что для повышения КПД преобразователя желательно уменьшить отношение волновых сопротивлений излучающей и отражающей накладок.

Составные или пакетные преобразователи широко используются для проектирования низкочастотных (порядка 20 кГц) преобразователей. Использование полуволновых пьезокерамических преобразователей на низких частотах приводит к значительному объему активного материала, что при плохой теплопроводности пьезокерамики приводит к ее перегреву. Кроме того, значительное расстояние между электродами требует больших значений возбуждающего электрического напряжения. Чаще применяют преобразователи составного типа; называемые также пакетными преобразователями, в которых часть активного материала замещается накладками из пассивного упругого материала (рис. 2.7, а).

Рисунок 2.7. Составной пьезокерамический преобразователь:

а – конструкция; б – эквивалентная схема

На рис. 2.7, б приведена эквивалентная схема пакетного пьезокерамического преобразователя, одна из накладок которого нагружена активным сопротивлением среды R_а.

Параметры схемы определяются из выражений:

с_э = εS/4πl; r_э = 1/ωC_э tg δ;  = d₃₃ES/l;

x = WS/sin kl; =²/ωC_э;  = 2f₀;