Пояснительная записка-1. Пояснительная записка в перечне номенклатуры, имеющейся на вооружении техники нет позиции, называемой псиоружием как оружия психотронного воздействия.

• Название: Пояснительная записка в перечне номенклатуры, имеющейся на вооружении техники нет позиции, называемой псиоружием как оружия психотронного воздействия.
• Дата: 10.02.2018
• Размер: 0.76 Mb.
• Имя файла: Пояснительная записка-1.doc
• Тип: Пояснительная записка; #36182
• страница: 3 из 8

.

Приборы, предназначенные для регистрации ультразвуковых колебаний, называются ультразвуковымиприемниками. В зави­симости от формы потребляемой энергии (механической или эле­ктрической) излучатели могут быть разделены на две основные группы: механические и электромеханические (магнитострикционные, пьезоэлектрические, электродинамические).

Механические преобразователи

В настоящее время среди механических преобразователей наиболее широкое применение получили ультразвуковые свистки, жидкостные генераторы, гидродинамические излучатели, газо­струйные излучатели и сирены. Применяются все они для созда­ния ультразвуковых колебаний в жидкостях, воздухе и газооб­разных средах. Механические излучатели работают в широком диапазоне частот (20—200 кгц (55, с.7-8).

Принцип действия ультразвукового генератора почти такой же, как и обычного милицейского, но размеры его значительно больше. Поток воздуха с большой скоростью разбивается об острый край внутренней полости генератора, вызывая колебания с частотой, равной собственной частоте резонатора. Изменяя размеры резонатора, можно изменять частоту колебаний. Умень­шение размеров резонатора приводит к повышению частоты ко­лебаний. При помощи ультразвукового генератора можно созда­вать колебания с частотой до 100 кгц. Мощность такого генератора мала, поэтому для получения больших мощностей применя­ют газоструйные генераторы, у которых скорость истечения воз­духа или газа значительно выше. Струйный генератор прост по устройству, но имеет небольшой к. п. д.

Жидкостные генераторы применяют для излучения ультразву­ка в жидкость. В жидкостных генераторах (рис. 1) в качестве резонансной системы служит двустороннее острие, в котором воз­буждаются изгибные колебания. Струя жидкости, выходя из сопла с большой скоростью, разбивается об острый край пла­стинки, по обе стороны которой возникают завихрения, вызываю­щие изменение давления с большой частотой.

Для работы жидкостного генератора необходимо избыточное давление жидкости 5 кГ/см² (55, с.8).



Рис. 1. Принцип действия жидкостного генератора: /—сопло; 2—пластинка

Во многих технологических процессах применяется ультра­звуковая сирена с двумя дисками, помещенными в камеру. На каждом диске имеется большое количество отверстий. Поступаю­щий под большим давлением в камеру воздух выходит через отверстия обоих дисков. При вращении внутреннего диска (ро­тора) его отверстия будут совпадать с отверстиями наружного диска (статора) только в определенные моменты времени. В результате вращения возникнут пульсации воздуха. Чем больше скорость вращения ротора, тем больше частота пульсаций. Мощность и к.п.д. сирены значительно выше. Если в поле излучения такой сирены поместить вату, то она воспламенится, а стальные стружки нагреваются докрасна (55, с.9).


Рис. 2. Ультразвуковые механические преобразователи

Электромеханические (электроакустические) преобразовате­ли широко применяются в промышленности и при научных ис­следованиях. Особенности конструкции электромеханических преобразователей позволяют применять их на высоких частотах. Ультразвуковые электромеханические преобразователи более ус­тойчивы в работе, чем механические. По принципу действия электромеханические преобразователи подразделяются на электро­динамические, пьезоэлектрические и магнитострикционные.

Электродинамические преобразователи основаны на принци­пе взаимодействия проводника, по которому проходит перемен­ный ток, с магнитным полем. В настоящее время электродинами­ческие преобразователи применяются редко, поэтому в данной работе они не рассматриваются (55. с.10).

Для изготовления пьезоэлектрических преобразователей из кристаллов кварца вырезают пластинки таким образом, чтобы плоскости их были перпендикулярны одной из трех электриче­ских осей (Х-срез). Такие пластинки при колебаниях излучают продольные волны, хорошо распространяющиеся в твердых те­лах, жидкостях и газах. Пластинки с У-срезом применяются в том случае, когда нужно получить поперечные волны. Пластинки с Z-срезом не обладают пьезоэлектрическим эффектом.

Пьезоэлектрический эффект может быть прямым и обратным. Если к пластинке кварца с двух сторон прикрепить электроды и соединить их проводниками с чувствительным прибором, то при сжатии пластинки возникнет электрический заряд, а при растя­жении заряд будет той же величины, но противоположный по знаку. Следовательно, возникновение зарядов на гранях пластин­ки при механическом воздействии называется прямым пьезоэле­ктрическим эффектом. При этом электрическая поляризация прямо пропорциональна механическому напряжению, знак ко­торой зависит от его направления:

e = dF,

где е — величина электрического заряда;

d— постоянная величина, называемая пьезоэлектрическим модулем;

F— сила, вызывающая механическое напряжение, в дин.

Принцип прямого пьезоэлектрического эффекта используется при изготовлении приемников ультразвуковых колебаний, кото­рые преобразуют механические колебания в электрические, т. е. в переменный ток.

Если к электродам кварцевой пластинки подвести электриче­ский заряд, то ее размеры увеличатся или уменьшатся в зависи­мости от полярности подводимого заряда. Чем больше заряд, тем больше деформация пластинки. При изменении знаков при­ложенного напряжения кварцевая пластинка будет то сжимать­ся, то разжиматься, т. е. она будет колебаться в такт с измене­ниями знаков приложенного напряжения. Изменение размеров лластинки под действием электрических зарядов называется об­ратным пьезоэлектрическим эффектом. Изменение толщины пла­стинки под действием электрических зарядов пропорционально приложенному электрическому напряжению:

At=dU,

где А — изменение толщины пластинки;

d— пьезоэлектрический модуль;

U— приложенное напряжение в абсолютных электростати­ческих единицах.

Принцип обратного пьезоэлектрического эффекта использует­ся при изготовлении излучателей ультразвуковых колебаний, ко­торые преобразуют электрические колебания в механические.

Пьезоэлектрический излучатель и приемник могут быть пред­ставлены в виде одного прибора, который поочередно излучает и принимает ультразвуковые колебания. Такой прибор называют ультразвуковым пьезоэлектрическим преобразователем (55, с.10-11).

Ультразвуковые пьезоэлектрические преобразователи приме­няются в ультразвуковых дефектоскопах, экспресс-анализато­рах, уровнемерах, расходомерах, эхолотах, рыбопоисковых приборах, медицинских и других приборах. Большое будущее при­надлежит пьезоэлектрическим преобразователям при освоении космоса и, в частности, при подготовке к полету человека на другие планеты. Чтобы отправиться в межпланетное путешест­вие, нужно иметь точные данные о метеорной опасности. Эту за­дачу и выполняют пьезоэлектрические преобразователи, реги­стрирующие появление даже микроскопических метеоров.

Кварц долгое время был одним из основных материалов для изготовления ультразвуковых преобразователей. Он очень ус­тойчив к высоким температурам, плавится при 1470°С, а теряет пьезоэлектрические свойства при 570° С. Но кварц не выдержива­ет больших механических нагрузок, он очень хрупок. Поэтому специалисты предложили другой кристалл — сегнетову соль. Ее кристаллы легко выращиваются искусственным путем и легко обрабатываются. Кроме того, сегнетова соль по сравнению с дру­гими пьезокристаллами, в том числе и кварцем, обладает зна­чительно большим пьезоэлектрическим эффектом. Самое ничтож­ное механическое воздействие на пластинку сегнетовой соли при­водит к появлению электрических зарядов. Однако сегнетовой соли свойственны и серьезные недостатки, которые ограничива­ют ее практическое применение. Это, в первую очередь, низкая температура плавления (около 60°С), при которой сегнетова соль теряет пьезоэлектрические свойства и больше не восстанав­ливает их. Сегнетова соль растворяется в воде и, следователь­но, боится влаги.

Большие исследования по изысканию новых пьезоэлектриче­ских материалов проводились во время второй мировой войны. Они были вызваны «кварцевым голодом», возникшим вследст­вие широкого использования пьезокварца в гидроакустических приборах и в военной радиоэлектронике. Так, во время второй мировой войны для изготовления пьезоэлектрических преобразо­вателей применялись кристаллы дигидрофосфата аммония. Этот материал очень стабилен по физическим параметрам, имеет вы­сокий коэффициент электромеханической связи, позволяет рабо­тать с большими мощностями и в широком диапазоне частот.

Из новых пьезоэлектрических материалов долгое время при­менялись фосфат аммония, сульфат лития и дигидрофоофат ка­лия. В гидроакустических преобразователях эти материалы при­менялись в виде мозаичных пакетов. Однако всем пьезокристал-лам присущ один общей недостаток — малая механическая проч­ность. Ученые начали упорные поиски заменителя пьезокристал-лам, который был бы близок к ним по пьезоэлектрическим свой­ствам и не имел бы их недостатков. И такой заменитель был найден (55, с.11-12).

Советские ученые под руководством чл.-корр. Академии наук СССР Б. М. Вула создали вещество, наделенное удивительными и ценными свойствами, и назвали его титанат бария. В недрах. земли он встречается очень редко, поэтому его получают искус-ственным путем. Смесь двух минеральных веществ (углекислого бария и двуокиси титаната) обжигают при очень высокой тем­пературе. В результате получается желтовато-белая масса, кото­рая по виду и механическим свойствам напоминает обыкновен­ную глину. Этой массе можно придать любую форму и размер. Как и всякое керамическое изделие, она будет механически прочной и нерастворимой в воде.



Рис. 4. Пьезокерамические преобразователи

Но титанат бария не обладает пьезоэлектрическими свойст­вами, и ему нужно придать эти свойства искусственно. Для это­го обожженную массу помещают в сильное электрическое поле, а затем охлаждают. Под воздействием электрического поля про­исходит поляризация кристалликов титаната бария, их диполи занимают одинаковое положение, а после охлаждения фикси­руются (как бы «замораживаются») в этом положении.

Пьезоэлектрический эффект у титаната бария в 50 раз боль­ше, чем у кварца, а стоимость его в 100 раз меньше. Важно, что для изготовления преобразователей из титаната бария имеется неограниченное количество сырья. Недостатком титаната бария являются большие механические и диэлектрические потери, что приводит к его перегреву, а при температуре более 90° С значи­тельно уменьшается интенсивность излучения. Практически пьезокерамические преобразователи выполняются в виде плоских, сферических и цилиндрических конструкций (рис. 4) (55, с.12-13).

Научно-исследовательскими и конструкторскими организа­циями разработаны и изготовлены ультразвуковые пьезоэлектрические преобразователи, предназначенные для интенсификации химических, электрохимических и других процессов. Пьезоэлект­рический преобразователь представляет собой один или несколь­ко соединенных определенным образом отдельных пьезоэлемен-тов с плоской или сферической поверхностью, приклеенных на общую металлическую пластину толщиной, равной половине длины волны ультразвука в металле. Для отвода тепла, выделяе­мого пьезоэлементами (если в этом есть необходимость), в кор­пус преобразователя заливается масло, которое ох­лаждается змеевиком с проточной водой.

При технологическом применении преобразова­тель опускается в облучае­мый объем либо является конструктивным элементом устройства (дном, стенкой и

т. п.). Применение устрой­ства с пьезоэлектрическим преобразователем позволя­ет, например, интенсифици­ровать процессы коагуля­ции аэрозолей, очистки, дис­пергирования, эмульгирова­ния, электроосаждения и др. Для получения большей интенсивности излучения применяют фокусирующие


Рис. 5. Ультразвуковой пьезоэлектриче­ский концентратор
пьезоэлектрические преобразователи, или концентраторы, которые могут иметь самые различные формы (полусферы, части полых сфер, полые цилиндры, части полых цилиндров и т. п.). Такие преобразователи используются для получения мощных ультразвуковых колебаний на высоких частотах. При этом интенсивность излучения в центре фокаль­ного пятна у сферических преобразователей превышает в 50— 150 раз среднюю интенсивность на излучающей поверхности преобразователя.

На рис. 5 показан ультразвуковой пьезоэлектрический кон­центратор, разработанный Акустическим институтом АН СССР. Он может применяться при научных исследованиях в процессах эмульгирования, диспергирования, коагуляции, при распылении и др (55, с.13-14).

Ультразвуковые пьезоэлектрические преобразователи харак­теризуются следующими основными параметрами: потребляемой мощностью, импульсной мощностью, частотой следования им­пульсов, длительностью импульсов, акустической мощностью и мощностью потерь, коэффициентом полезного действия, интен­сивностью излучения, резонансной и частотной характеристиками, полным электрическим и эквивалентным сопротивле­нием.

Параметры пьезоэлектрических преобразователей определя­ются путем расчета по формулам и проверяются эксперимен­тально (55, с.14-15).

Магнитострикционные преобразователи

Еще в 1847 г. Джоуль заметил, что ферромагнитные материа­лы, помещенные в магнитное поле, изменяют свои размеры. Это явление назвали магнитострикционным эффектом,или магнито-стрикцией.



Рис. 6. Магнитострикционный эффект: а — обратный; б — прямой

Различают два вида магнитострикции: линейная, при которой геометрические размеры тела изменяются в направлении при­ложенного поля, и объемная, при которой геометрические раз­меры тела изменяются во всех направлениях. Линейная магни-тострикция наблюдается при значительно меньших напряжен-ностях магнитного поля, чем объемная. Поэтому практически в магнитострикционных преобразователях используется линейная магнитострикция.

Магнитострикционный эффект, как и пьезоэлектрический, об­ратим. Если по обмотке, наложенной на ферромагнитный стер­жень определенного состава (рис. 6, б), пропустить переменный ток, то под воздействием изменяющегося магнитного поля стер­жень будет деформироваться (удлиняться и укорачиваться) — прямой магнитострикционный эффект. Никелевые сердечники в отличие от железных в магнитном поле укорачиваются. При про­пускании переменного тока по обмотке излучателя его стержень деформируется однозначно (в одном направлении) при лю­бом направлении магнитного поля. Поэтому частота механи­ческих колебаний будет вдвое больше частоты переменного то­ка, протекающего в обмотке.

Чтобы частота колебаний излучателя соответствовала часто­те возбуждающего тока, в обмотку излучателя подводят постоянное напряжение поляризации. У поляризованного излучателя увеличивается амплитуда переменной магнитной индукции, что приводит к увеличению деформации сердечника излучателя, а следовательно, и повышению мощности.

Если же стержень из ферромагнитного материала, на кото­рый наложена обмотка, сжимать или растягивать (см. рис. 6, а), то его магнитные свойства будут изменяться, а в обмотке воз­никнет переменный ток — обратный магнитострикционный эф­фект. (55, с.15-16).

Прямой магнитострикционный эффект использован при из­готовлении ультразвуковых магнитострикционных преобразова­телей, которые являются незаменимым элементом любой ультра­звуковой технологической установки. Магнитострикционные пре­образователи по сравнению с пьезоэлектрическими имеют боль­шие относительные деформации, большую механическую проч­ность, менее чувствительны к температурным воздействиям, у них небольшие значения полного электрического сопротивле­ния, в результате чего для получения большой мощности не требуются высокие напряжения.

Одним из основных условий при изготовлении ультразвуко­вых магнитострикционных преобразователей является соответст­вие их геометрических размеров заданной резонансной частоте.

При изготовлении магнитострикционных преобразователей определяются не только геометрические размеры, но принима­ются во внимание материал преобразователя, его конструкция и технология изготовления.

Для изготовления магнитострикционных преобразователей используют главным образом никель, пермендюр, альфер и фер­рит. Наибольший магнитострикционный эффект наблюдается у пермендюра (49% кобальта, 49% железа, 2% ванадия). Кроме того, пермендюр может работать при повышенных температу­рах. Еще большим магнитострикционным эффектом обладает сплав платины с железом (32% платины, 68% железа), но из-за высокой стоимости он практически не применяется (55, с.15-16).

Чаще всего в ультразвуковых установках применяются пре­образователи из никеля. Магнитострикционные свойства никеля значительно ниже, чем пермендюра, но он дешев и имеет вы­сокую стойкость против коррозии.

Хорошие магнитострикционные свойства у железоалюминиевых сплавов — альферов с 12—14% алюминия. Альфер имеет высокое удельное электросопротивление, поэтому потери энергии на вихревые токи незначительны. Однако трудности, связанные с прокатом этого материала, и хрупкость ограничивают его прак­тическое применение (55, 15-16).

Магнитострикционные сердечники могут быть изготовлены и из ферритов (рис. 7), свойства которых в большой степени за­висят от составляющих (окиси никеля, железа,цинка). У ферри­тов высокое удельное сопротивление, в результате чего потери на вихревые токи в них ничтожно малы. Свойства ферритов устой­чивы к температурным изменениям и незначительно изменяются в пределах 30—120° С. Но у ферритов есть недостаток — малая механическая прочность, что вызывает опасность их перегрузки при работе в колебательных системах большой мощности. Ме­ханические напряжения, возникающие в материале, приводят к образованию трещин, а затем и к разрушению преобразователя.

Магнитострикционный эффект в значительной степени зави­сит от температуры. Термостойкость различных материалов не­одинакова. У никелевых преобразователей при нагревании до температуры 100—150° С магнитострикционный эффект снижает­ся на 20—25%, а при температуре 353° С (точка Кюри) он ис­чезает совсем. Для альфера точка Кюри находится около 500° С (55, с.16-17).

Наибольшей термостойкостью обладают преобразователи из пер-мендюра, способные выдержать температуру выше 900°С.

В США проводятся исследования по повышению эффектив­ности магнитострикционных преобразователей. Одной из фирм разработан магнитострикционный преобразователь с малыми потерями. В нем в качестве активного материала применен ванадий-пермендюр (железокобальтовый сплав с небольшим со­держанием ванадия). Такой преобразователь представляет со­бой ленту из пермендюра, свернутую в виде цилиндра, с изоли­рующей прокладкой. В новом преобразователе возбуждается весь магнитострикционный материал. В обычном преобразовате­ле возбуждается не более 70% материала. Обычный магнитострикционный преобразователь конструк­тивно представляет собой пакет, набранный из тонких пластин никеля, пермендюра или альфера толщиной 0,1—0,2