Ультразвук в радиолюбительской практике

Ультразвуком называют механические колебания, лежащие выше области частот, улавливаемых человеческим ухом (приблизительно 20 кГц). Ультразвуковые колебания двигаются в форме волны, подобно свету. Но в отличие от световых волн, которые прекрасно перемещаются в вакууме, ультразвуку требуется для движения только упругая среда, например газ, твердое тело или жидкость.

Сегодня трудно найти область человеческой деятельности, где бы не применялся ультразвук (Медицина, радиоэлектроника, биохимия, автомобилестроение и военная техника).

Частота ультразвуковых колебаний (УЗ), используемых в технике и биологии, находится в интервале от нескольких десятков кГц до единиц МГц. Высокочастотные УЗ колебания обычно генерируют при помощи пьезокерамических излучателей. Обычно применяются механические источники ультразвука. В прошлом и конце позапрошлого веков все ультразвуковые волны создавали только механическим способом (камертоны, сирены, свистки).

В природе ультразвук является составным компонентов многих шумов (ветра, водопада, дождя, в шуме гальки, перекатываемой на пляже морским прибоем, в звуках, грозовых разрядов, и т. п.), так и среди звуков животного мира. Некоторые виды животных ипользуют УЗ волны для ориентировки в пространстве, обнаружения препятствий, и общения (летучие мыши, киты, дельфины, долгопяты, грызуны,).

Генераторы УЗ колебаний можно поделить на две огромные группы. К первой можно отнести излучатели-генераторы, колебания в них генерируются из-за наличия препятствий на пути постоянного потока — струи жидкости или газа. Ко второй группе излучателей можно отнести электроакустические преобразователи; они преобразуют заданные колебания электрического тока в механические колебания твёрдого тела, которое и отправляет их во внешнюю среду.

Первый УЗ излучатель в виде свистка сделал англичанин Гальтон в 1883 году . УЗ в нем генерировался аналогично звуку высокого тона на остром кончике ножа, когда на него попадает мощный поток воздуха. Функцию такого острия в свистке Гальтона выполняет «губа» в небольшой цилиндрической резонансной полости. Газ, идущий под высоким давлением через полый цилиндр, ударяется об нее и генерируются УЗ колебания, частота которых около 170 кГц задается размерами сопла и губы. Мощность свистка Гальтона небольшая. В основном он используется для подачи команд при дрессировке животных.

Применение ультразвука

Одно из основных применений ультразвук нашел в медицинской практике, наверное каждый слышал, о таком виде медицинской техники, как диагностические УЗИ аппараты. Ведь благодаря отличному распространению УЗ волн в мягких тканях биологического объекта, его относительной безвредности по сравнению с рентгеном и простотой применения в сравнении с магнитно-резонансными томографами. Ультразвук в этих медицинских приборах визуализирует состояния внутренних органов, особенно эфективно его использование в брюшной и тазовой полости.

Кроме диагностики, ультразвук можно использовать и для лечения в медицинской практике. Ведь УЗ колебания обладают важнейшими терапевтическими эффектами: противовоспалительными, рассасывающими, анальгезирующими и эспазмолитическим действиями.

В промышленности с помощью УЗ волн изщготавливают однородные смеси. Получаемые в результате этого эмульсии это: лаки, краски, фармацевтические изделия, косметика и многое др.

Свойство ультразвука разрывать оболочки клеток используется в биологических исследованиях, например, если возникает необходимости отделить клетку от ферментов. УЗ можно использовать также для разрушения таких внутриклеточных структур и способностью вызывать мутации в биообъектах.

В производственных условиях для мытья мелких деталей используют ультразвуковые ванны заполоненные каким либо растворителем (спирт, вода). В рыболоводстве используют УЗ эхолокацию для поиска больших косяков рыб. УЗ волны отражаются от косяков и попадают в приёмник раньше, чем уэта-же волна, отразится от морского дна. В транспортных средствах нашли широкое применение схемы ультразвуковых парктроников.

Ультразвуковая сварка еще одно из многих применений ультразвука, осуществляемая под воздействием УЗ колебаний. Такой вид сварки используется для соединения деталей, нагрев которых проблематичен, при соединении разных металлов, или металлов с оксидными плёнками, при производстве интегральных микросхем, микроконтроллеров и процессоров.

Ультразвуковые устройства нашли широкое применение для преобразования и обработки электрических сигналов в радиоэлектроники, например в радиолокации, устройствах связи, компьютерной технике, и для управления световыми сигналами в оптоэлектронике. В схемах управления электрическими сигналами задействованны следующие особенности УЗ волн: малая по сравнению с электромагнитными скорость распространения; низкое поглощение в кристаллах и только отсюда высокая добротность кварцевых резонаторов

Ультразвук в медицинской практике

Ультразвук оказывает на биологические ткани механическое, тепловое и физико-химическое воздействие. Механическое действие УЗ связано с колебательным смещением частиц среды в ультразвуковой волне и обусловлено переменным акустическим давлением. В силу создаваемого в тканях высокого градиента звукового давления и значительных сдвиговых напряжений в биологических тканях упругие колебания ультразвукового диапазона могут изменять функциональные свойства различных органов и тканей, проводимость ионных каналов мембран различных клеток, вызывать микропотоки метаболитов в цитозоле и органоидах (микромассаж тканей). УЗ формирует микропотоки метаболитов в цитозоле, вызывает перемещение внутриклеточных структур и активирует клеточные органеллы и клетки, повышает их чувствительность к разнородным стимулам.

Схема ультразвукового отпугивателя грызунов

Ультразвуковые колебания с частотой 100 кГц действуют на крыс, мышей и других мелких грызунов, а колебания 22 - 40 кГц не выносят собаки и кошки.

Отпугиватель комаров схема на основе генерации УЗ колебаний
Схема ультразвукового отпугивателя комаров

Непосредственно услышать излучаемый звук не представляется возможным. А вот на коллекторе второго транзистора их можно увидеть осциллографом или частотомером в виде импульсов с частотой следования 32-40 кГц. В схеме устройства отпугивателя на однотипных транзисторах VТ1, VТ2 построен высокочастотный автогенератор, к выходу которого подключен пьезоэлектрический капсюль НА1. Ограничительные сопротивления R1, R3, R6, выпрямительный диод VD2 и емкость С1 используются в роли бестрансформаторного источника питания для УЗ генератора. Ток потребления конструкции около 20 мА. Напряжение питания должно быть в диапазоне 10...15 В.

Преобразователь ультразвука

Хотите услышать пение летучих мышей или стрекот некоторых видов цикад? Собрав эту простую схему из радиолюбительской практики. Вы сможете достаточно легко проникнуть в мир ультразвука.

Преобразователь нашей радиолюбительской конструкции является чувствительным датчиком, слышащим в УЗ диапазоне частот от 13,6 до 180 кГц. Единственным фактором является тип преобразователя (микрофона) Автор схемы использовал типовой 40 кГц пьезоэлектрический преобразователь.

Схема преобразователя ультразвука на ОУ

На первом операционном усилителе собран задающий RG генератор, опорная частота которого лежит в интервале 13,6.. 180 кГц и задается емкостью конденсатора С1, сопротивлением R8 и потенциометром VR1. Для усиления "мышиных" сигналов задействован двухкаскадный усилитель на OУ. Смеситель также выполнен но ОУ на его 14 выходе присутствует - сигнал разностной ("мышиной" и опорной) частоты, который можно прослушать с помощью стандартных наушников, подсоединенных к гнезду X1. ОУ типа TL074CN