Несколько дней назад поступил очередной заказ. Покупатель хотел заказать мощную ультразвуковую пушку для борьбы с пьяной молодежью, для которых день начинается ночью, когда все нормальные люди спят. Недолго думая выбрал проверенную схему мощного ультразвукового излучателя. Сама пушка построена всего на одной микросхеме стандартной логике.

Подойдут буквально любые аналогичные микросхемы, содержащие 6 логических инверторов. В нашем случае применена микросхема CD4049 (HEF4049), которая успешно может быть заменена на отечественную - К561ЛН2, только нужно обратить внимание на цоколевку, поскольку К561ЛН2 отличается от использованной некоторыми выводами.

Поскольку схема достаточно простая, то может быть реализована на макетной плате или навесным образом. Усилитель собран на комплементарных парах КТ816/817, за счет применения этих ключей, мощность нашей пушки составляет 10-12 Ватт.

В качестве излучателя желательно использовать высокочастотные головки типа 10 ГДВ или импорт, не советуется использовать пьезоизлучатель.

Корпус - от китайского электронного трансформатора 10-50 ватт, пришлось переделывать, поскольку плата не вместилась.

За частоту отвечает конденсатор 1,5нФ (который потом заменил на 3,9 нФ, поскольку с указанным в схеме конденсатором нижняя грань частот ровна 20кГц, а с такой заменой частоту можно настроить в пределах 10-30кГц) и переменный резистор (в итоге, настройку делают вращением этого резистора).

Базовые резисторы можно заменить на 2.2кОм, которые являются более распространенными, чем те, которые указаны в схеме. Питается такой излучатель от стабилизированного блока питания на 5 Вольт с током 1 А (диапазон питающих напряжений 3,7-9 Вольт).

Ультразвук - это не слышимые человеком упругие акустические волны, частота которых превышает 20 кГц. Принято различать низкочастотные (20…100 кГц), среднечастотные (0.1… 10 МГц) и высокочастотные (более 10 МГц) ультразвуковые колебания. Несмотря на кил мегагерцы, ультразвуковые волны не следует путать с радиоволнами и радиочастотами. Это абсолютно разные вещи!

По своей физической природе ультразвук ничем не отличается от обычного слышимого звука. Частотная граница между звуковыми и ультразвуковыми волнами условна, она определяется субъективными свойствами человеческого слуха. Для справки, колебания высокой частоты хорошо чувствуют животные (в том числе и домашние), а для летучих мышей и дельфинов они являются жизненно важными.

Ультразвук, благодаря малой длине волны, хорошо распространяется в жидкостях и твёрдых телах. Например, ультразвуковые волны в воде затухают примерно в 1000 раз меньше, чем в воздухе. Отсюда следуют основные сферы их применения: гидролокация, неразрушающий контроль изделий, «звуковидение», молекулярная и квантовая акустика.

Для генерации ультразвуковых колебаний используют следующие виды излучателей (англ. «ultrasonic transducer»):

Пьезокерамические (piezo);

Электростатические (electrostatic);

Электромагнитные (electromagnetic).

Для последнего варианта годятся даже обычные высокочастотные звуковые громкоговорители (на сленге «пищалки»), которые имеют достаточный КПД для генерации сигналов в ближнем ультразвуковом диапазоне 20…40 кГц.

Пьезокерамические ультразвуковые излучатели (Табл. 2.10) выпускаются, как правило, в паре с согласованными по частоте пьезо приёмниками. Типовые параметры «ультразвукового тандема»: частота резонанса 37…45 кГц, уровень звукового давления на расстоянии 30 см - 95…105 дБ(А), рабочее напряжение 12…60 В, ёмкость 1000…3000 пФ, выходной импеданс передатчика 200…500 Ом, входной импеданс приёмника 10…30 кОм.

Таблица 2.10. Параметры ультразвуковых излучателей

На обкладки ультразвуковых пьезоизлучателей рекомендуется подавать не однополярные, а разнополярные импульсы, т.е. в паузах формировать напряжение обратной полярности. Это способствует ускоренному разряду эквивалентной ёмкости излучателя и повышению быстродействия.

На Рис. 2.53, а…л приведены схемы подключения ультразвуковых излучателей к MK. Для формирования разнополярных импульсов широко используются транзисторные мосты и разделительные трансформаторы. Если снизить частоту генерации, то приведенные схемы подойдут «один к одному» и для слышимого диапазона, т.е. для рассмотренных ранее звуковых пьезокерамических излучателей.

Рис. 2.53. Схемы подключения ультразвуковых излучателей к MK (начало):

а) сглаживание формы сигнала, подаваемого на ультразвуковой излучатель BQ1, с помощью катушки индуктивности L1. Резистором R1 регулируется амплитуда;

б) транзисторы VT1, VT2 попеременно открываются короткими импульсами от MK. Для надёжности следует выбирать транзисторы с большим допустимым коллекторным током, чтобы они не вышли из строя при низком омическом сопротивлении катушки индуктивности L1\

в) конденсатор C1 дифференцирует сигнал и устраняет постоянную составляющую, что позволяет подключить ультразвуковой пьезоизлучатель BQ1 к двухполярному источнику питания;

г) маломощный ультразвуковой приёмопередатчик. Делитель R1, R2 определяет рабочую точку АЦП MK при приёме сигнала и амплитуду выходных импульсов при передаче сигнала;

д) приёмопередатчик ультразвукового дальномера. Частота импульсов 36…465 кГц, напряжение на излучателе BQ1 50…100 В (максимум подбирается конденсатором C3). Диоды VD1, VD2 ограничивают сигнал для приёмника. Трансформатор 77 содержит в обмотках I, II по 15 витков провода ПЭВ-0.3, в обмотке III - 100…200 витков ПЭВ-0.08 (кольцо M2000HM K10x6x5); О

О Рис. 2.53. Схемы подключения ультразвуковых излучателей к MK (продолжение):

е) применение логической микросхемы DD1 аппаратно устраняет одновременное открывание транзисторов одного плеча. Импульсные помехи, возникающие в цепи питания из-за неодновременного переключения инверторов DD1.l…DD13 и разброса ВАХ транзисторов, устраняются фильтром L /, C1. Диоды VD1… VD4ставятся в случае замены звукового ВЧ-динамика BA1 (10ГД-35, 6ГД-13, 6ГДВ-4) более мощным ультразвуковым пьезоизлучателем;

ж) увеличение мощности излучателя BQ1 с помощью удвоителя напряжения на микросхеме DD1 и повышенного питания +9…+ 12 В. Транзистор VT1 согласует логические уровни;

з) увеличение амплитуды напряжения на излучателе BQJ происходит ввиду повышенного напряжения питания +9 В и накопления энергии в дросселе L1\

и) полевые транзисторы K77, VT2 (замена IRF7831) снижают потери энергии при коммутации. Резисторы R1, R2 не дают открываться транзисторам при рестарте MK; О

О Рис. 2.53. Схемы подключения ультразвуковых излучателей к MK (окончание):

к) ультразвуковой эхолокатор работает на частоте 40 кГц и генерирует импульсы длительностью 0.4 мс. Амплитуда сигнала на пьезоизлучателе BQ1 (фирма Murata) достигает 160 В. Индуктивность вторичной обмотки трансформатора T1 совместно с ёмкостью пьезоизлучателя BQ1 образует колебательный контур, настроенный на частоту, близкую к 40 кГц. Индуктивность первичной обмотки трансформатора T1 - 7.1 МК Гн, вторичной - 146 МК Гн, добротность Q > 80;

л) ультразвуковой гидроионизатор работает на частоте 1.8…2 МГц. Трансформатор T1 наматывается на трёх сердечниках 50BH K20x 10×5. Обмотки I и II содержат по 4 витка сложенного втрое провода ПЭВ-0.3, обмотка III - 12 витков провода ПЭВ-0.3. Катушка L1 содержит 5 витков провода ПЭВ-0.8 на оправке диаметром 8 мм с шагом 1 мм. Излучатель BQ1 имеет диаметр 30 мм (пьезокерамика ЦТС). Резистором R1 снижаются выбросы напряжения на стоке VT1.

Излучатели (ультразвуковые) активно применяются в эхолотах. Дополнительно устройства используются в приемниках. Современные модификации выделяются высокой частотностью и имеют хорошую проводимость. Чувствительность излучателя зависит от многих факторов. Также стоит отметить, что у моделей применяются клеммы, которые влияют на общий уровень сопротивления.

Схема устройства

Стандартная схема устройства содержит две клеммы и один конденсатор. Стержень используется диаметром от 1,2 см. Магнит для работы системы потребуется неодимового типа. В нижней части любого излучателя располагается подставка. Конденсаторы могут крепиться через расширитель либо клеммы. Обмотка селеноида применяется с проводимостью от 4 мк.

Кольцевая модификация

Кольцевые погружные ультразвуковые излучатели, как правило, производятся для эхолотов. Большинство моделей обладают дипольными конденсаторами. Подкладки под них подбираются из резины. Общий уровень сопротивления в устройствах данного типа равняется 50 Ом. Клеммы используются с переходником и без него. В верхней части селеноида располагается защитное кольцо. Стержень используется диаметром не менее 2,2 см. В некоторых случаях конденсаторы применяются канального типа с системой защиты. Проводимость при разряде у них составляет не менее 5 мк. При этом частотность может сильно меняться. В данном случае многое зависит от чувствительности элемента.

Устройство с яром

Ультразвуковой излучатель для увлажнителя с яром считается очень распространенным. Если рассматривать то у нее имеются три конденсатора. Как правило, они используются трехканального типа. Общий уровень сопротивления у излучателей данного типа составляет 55 Ом. Они часто ставятся на эхолоты и низкочастотные приемники. Также модели подходят для преобразователей. Магниты используются диаметром от 4,5 см. Подставки делаются из латуни либо стали. Проводимость при разряде составляет не более 5,2 Мк.

Некоторые модификации используются с верхним расположением яра. Как правило, он находится над подставкой. Также надо отметить, что есть излучатели с однополюсными переходниками. Соленоиды для них подходят только с высокой проводимостью. В верхней части устройства используется несколько колец. Чувствительность при разряде составляет примерно 10 мВ. Если рассматривать модификации на резисторных конденсаторах, то у них общий уровень сопротивления максимум доходит до 55 Ом.

Модель с двойной обмоткой

Излучатели (ультразвуковые) с двойной обмоткой в последнее время производятся с усилителем. Такие устройства активно применяются на преобразователях. Некоторые излучатели делаются с двойными конденсаторами. Обмотки используются с широкой лентой. Стержни подходят диаметром от 1,3 см. Клеммы должны обладать проводимостью не менее 5 мк. Частотность устройств зависит от многих факторов. В первую очередь учитывается диаметр стрежня. Также надо отметить, что расширители используются с подкладками и без них.

Излучатели на базе отражателя своими руками

Из отражателей можно сделать ультразвуковой излучатель своими руками. В первую очередь заготавливается неодимовый магнит. Подставка применяется шириной около 4,5 см. Обводку разрешается устанавливать только после стрежня. Также надо отметить, что магнит фиксируется на подкладке и замыкается кольцом.

Клеммы для устройства подбираются проводникового типа. Проводимость при разряде должна составлять около 6 мк. Общий уровень сопротивления у излучателей данного типа равняется не более 55 Ом. Конденсаторы используются разного типа. Непосредственно отражатели подбираются небольшой толщины. Для установки элементов придется воспользоваться Верхняя часть стрежня закручивается на пленке. В данном случае важно не перекрывать клеммы.

Устройства для эхолотов

Излучатели (ультразвуковые) для эхолотов обладают неплохой проводимостью. Диаметр стержня у стандартной модели равняется 2,4 см. Кольца, как правило, используются обтягивающего типа. Современные модели делаются с конусными подставками. У них малый вес и они могут работать в условиях повышенной влажности. Соленоиды применяются разного диаметра. В нижней части устройств обязательно накручивается изолента. При необходимости излучатель для эхолота можно сделать самостоятельно. Конденсаторы с этой целью применяются двухканального типа. Если рассматривать устройство со стержнем на 2,2 см, то общий уровень сопротивления у него составит 45 Ом.

Модификации для рыболокаторов

Излучатели (ультразвуковые) для рыболокаторов производятся с клеммами разной проводимости. Наиболее востребованными считаются модификации с переходниками и чувствительностью на уровне 12 мВ. Некоторые устройства оснащаются компактными одноканальными конденсаторами. Проводимость при загрузке у них составляет 2 мк. Магниты на излучатели устанавливаются разного диаметра.

Большинство моделей делаются с низкими подставками. Также надо отметить, что устройства выделяются высокой частотностью. Клеммы обладают неплохой проводимостью, но в данном случае многое зависит от толщины стрежня. В верхней части обмотки устанавливаются защитные кольца. Для увеличения проводимости излучателя применяются клеммы с чувствительностью от 15 мВ.

Модели низкого волнового сопротивления

Ультразвуковой излучатель для увлажнителя воздуха низкого выделяется компактными размерами. Обмотки используются толщиной от 0,2 см. Магниты устанавливаются на подставках либо подкладках. Клеммы фиксируются в верхней части устройства. Стандартная модификация включает в себя три конденсатора.

Показатель общего сопротивления составляет не более 30 Ом. Конденсаторы у некоторых моделей применяются двуканального типа. При этом проводимость составляет примерно 2 мк. Также есть модификации со стержнями большого диаметра. Они используются в эхолотах. Большинство излучателей производится специально для преобразователей. Кольца для зажима используются из резины либо пластика. В среднем диаметр стержня у модификации равняется 2,2 см.

Устройства высокого волнового сопротивления

Модификации данного типа делаются, как правило, для приемников. Общий уровень проводимости у них равняется 4 мк. Большинство устройств работает от контактных клемм. Также надо отметить, что существуют устройства с чувствительностью от 15 мВ. Конденсаторы на модификации подбирают трехканального типа. Также есть резисторные модели. У них общий уровень сопротивления стартует от 55 Ом. Магниты на мощный ультразвуковой излучатель устанавливаются только неодимового типа. В среднем диаметр детали составляет 4,5 см. Подставки могут производиться с накладками или защитными изолирующими пленками.

Модели с однопереходными конденсаторами

Устройства этого типа способны обеспечивать проводимость на уровне 5 мк. У них довольно высокая чувствительность. Стержни на ультразвуковой излучатель устанавливаются диаметром от 2 см. Обмотки используются только с кольцами из резины. В нижней части устройств применяются дипольные клеммы. Общий уровень сопротивления при загруженности составляет 5 Ом. Конденсаторы разрешается устанавливать на излучатели через расширители. Для продления низких частот используются переходники.

При необходимости можно сделать модификацию на два конденсатора. Для этого клеммы устанавливаются с проводимостью от 2,2 мк. Стержень подбирается небольшого диаметра. Также надо отметить, что потребуется короткая подставка из сплава алюминия. В качестве изоляции для клемм применяется изолента. В верхней части излучателя крепится два кольца. Непосредственно конденсаторы монтируются через дипольный расширитель. Общий уровень сопротивления не должен превышать 35 Ом. Чувствительность зависит от проводимости клемм.

УЗ излучатель — это генератор мощных ультразвуковых волн. Как мы знаем, ультразвуковую частоту человек не слышит, но организм чувствует. Иными словами ультразвуковая частота воспринимается человеческим ухом, но определенный участок мозга, отвечающий за слух, не может расшифровать данные звуковые волны. Те, кто занимаются построением аудио систем должны знать, что высокая частота очень неприятна для нашего слуха, но если поднять частоту на еще высокий уровень (УЗ диапазон) то звук исчезнет, но на самом деле он есть. Мозг попытается безуспешно раскодировать звук, в следствии этого возникнет головная боль, тошнота, рвота, головокружение и т.п.

Ультразвуковая частота давно применяется в самых разных областях науки и техники. При помощи ультразвука можно сваривать металл, провести стирку и многое другое. Ультразвук активно применяется для отпугивания грызунов в сельскохозяйственной технике, поскольку организм многих животных приспособлен к общению с себе подобными на УЗ диапазоне. Есть данные и про отпугивание насекомых с помощью УЗИ генераторов, многие фирмы выпускают такие электронные репелленты. А мы предлагаем вам самостоятельно собрать такой прибор, по приведённой схеме:

Рассмотрим конструкцию достаточно простой УЗ пушки высокой мощности. Микросхема D4049 работает в качестве генератора сигналов ультразвуковой частоты, она имеет 6 логических инверторов.

Микросхему можно заменить на отечественный аналог К561ЛН2. Регулятор 22к нужен для подстройки частоты, ее можно снижать до слышимого диапазона, если резистор 100к заменить на 22к, а конденсатор 1,5нФ заменить на 2,2-3,3нФ. Сигналы с микросхемы подаются на выходной каскад, который построен всего на 4-х биполярных транзисторах средней мощности. Выбор транзисторов не критичен, главное подобрать максимально близкие по параметрам комплементарные пары.

В качестве излучателя можно использовать буквально любые ВЧ головки с мощностью от 5 ватт. Из отечественного интерьера можно использовать головки типа 5ГДВ-6, 10ГДВ-4, 10ГДВ-6. Такие ВЧ головки можно найти в акустических системах производства СССР.

Осталось только оформить все в корпус. Для направленности УЗ сигнала нужно использовать металлический рефлектор.