Исследовательская работа "Исследование работы магнитострикционного излучателя ультразвука"

Номинация: «Физика» Проектно­ исследовательская работа Тема: «Исследование работы магнитострикционного излучателя ультразвука» Автор: Крылов Дмитрий  Евгеньевич  Научный руководитель:   Австриевских Наталья Михайловна  учитель физики МБОУ Гимназия  № 11 г. Ельца.  Почтовый адрес: 399740, Липецкая  область, г. Елец, МБОУ Гимназия  № 11 г. Ельца, ул.  Радиотехническая, 3 Елец 2 План I. Вступление П. Ультразвуковые колебания магнитострикционного вибратора 1. Принцип действия магнитострикционного излучателя 2. Конструкция учебного излучателя 3. Технология изготовления излучателя 4. Проверка излучателя в работе III. Магнитострикционный излучатель ультразвука V. Ультразвуковая диагностика VI. Изгибные волны 1. Стоячие волны в магнитострикционном излучателе 2. Механические напряжения в вибраторе 3. Почему второй торец вибратора должен быть сухим 4. Скорость звука в вибраторе 3 4 4 5 5 6 7 7 8 9 9 10 10 10 11 11 13 14 14 1. Отражение изгибных волн от круглых краев пластины 16 2. Стоячая ультразвуковая волна в круглой пластине 3. Фокусировка волн эллиптическим отражателем 16 4. Фокусировка  волн параболическим отражением                                         18 19 20 21 IV. Ультразвуковой генератор низкой частоты 1. Принципиальная схема генератора 2. Конструкция ультразвукового генератора 3. Технология изготовления прибора 4. Налаживание и проверка генератора в работе VII. Самостоятельное исследование VIII. Заключение IX. Литература 3 Исследование работы магнитострикционного излучателя ультразвука                                            I      Введение. Проблема: изучение физических явлений с помощью модели магнитострикционного излучателя. Гипотеза: Можно ли услышать ультразвук? Задачи:  1. Изготовить модель по электронной схеме.  2. Усовершенствовать и модернизировать модель.  3. Провести эксперименты по наблюдению физических явлений.   4. Произвести математический расчет скорости звука.   5.   Проанализировать   зависимость   частоты   ультразвуковых   колебаний   от   длины ферритового стержня.  Целью нашей работы было изготовить магнитострикционный излучатель ультразвука и исследовать   ультразвук   экспериментальным   путем.   Поставленная   задача:   на   примере отдельно   взятого   физического   прибора   доказать   взаимосвязь   физических   явлений (интерференция,   ультразвуковые   колебания,   резонанс).   Объектом   исследований   являлся магнитострикционный излучатель. Методы, которыми мы пользовались: Создание физической модели Эксперимент и наблюдение Математический   расчёт   при   изучении   результатов   работы   излучателя,   а   также теоретический анализ научной литературы по данной проблеме. Наша   работа   освещает   изучение   физических   явлений   на   более   глубоком   уровне. Модель   магнитострикционного   излучателя   можно   использовать   в   народном   хозяйстве, например,   для   покраски   изделий,   как   распылитель   при   нанесении   капель   жидкости   на ферритовый   стержень   излучателя.   Кроме   этого   данная   модель   была   изготовлена   для демонстрации опытов на уроках физики. Новизна, актуальность и сложность данной научно­ исследовательской   работы   была   в   том,   что   нужно   было   создать   модель магнитострикционного излучателя по электронной схеме, обладать большими навыками в радиотехнике и показать принцип его действия на практике. В своей работе мы использовали различные источники информации (научная и учебная литература, интернет). Создав модель и проводя эксперимент, мы пришли к выводу, что его лучше модернизировать, поставив более мощный транзистор и поместить всю конструкцию в безопасный корпус с выводами для подключения, а также ручкой регулятора для усиления или ослабления частоты колебаний. Оригинальность   нашей   работы   была   в   создании   модели   магнитострикционного излучателя, в интеграции предметов (физики, информатики, биологии и математики). Создав модель   и   проводя   эксперименты,   мы   более   глубоко   изучили   техническое   содержание прибора,   более   детально   изучили   некоторые   физические   явления   (ультразвук,   резонанс, интерференция, пучности и узлы). То есть была доказана взаимосвязь теории с практикой. Мы ставили перед собой задачу: создать модель и на ее примере наблюдать физические явления и проводить эксперименты. Полученные данные в ходе эксперимента привели нас к выводу,   что   ультразвуковые   колебания   при   определенных   условиях   можно   услышать   и наблюдать явления резонанса, интерференции, пучности и узлы на различных поверхностях, определять скорость звука 4 II. Ультразвуковые колебания магнитострикционного вибратора.      1. Принцип действия магнитострикционного излучателя В основе действия магнитострикционного излучателя лежит прямой магнитострикционный эффект. Его сущность заключается в том, что ферримагнитной стержень, помещённый   в магнитное   поле,   деформируясь,   изменяет   свои   размеры.   К   примеру,   никелевый   и ферритовый   стержни   в   магнитном   поле   укорачиваются,   железный   при   увеличении магнитного поля сначала удлиняется, а затем укорачивается. Если по катушке, вдоль оси которой расположен ферримагнитный стержень, пропускать переменный ток достаточно высокой   частоты,   то   стержень   будет   периодически   изменять   свои   размеры,   и   его колеблющиеся концы смогут   возбудить   в   окружающей   среде упругую   звуковую   или ультразвуковую волну.  Магнитострикционный  эффект  обладает   свойством  чётности,  то есть  он не зависит   от направления магнитного поля. Поэтому если мы поместим в переменное магнитное поле, например, ферритовый стержень, то он будет укорачиваться всякий раз, когда магнитное поле независимо от его направления станет отличаться от нуля. Значит, стержень будет совершать колебания с частотой, в два раза превышающей частоту магнитного поля. Чтобы частота колебаний стержня совпала с частотой переменного тока, идущего по катушке от соответствующего   генератора,   ферримагнитной   стержень  намагничивают,  располагая вблизи  него источник  постоянного поля, например,  постоянный  магнит. В этом случае магнитное   поле   из   переменного   превращается   в   пульсирующее   так,   что   периодически меняется только его величина, а не направление. В результате стержень изменяет свои размеры  синфазно  с   изменениями   поля.   Нетрудно   сообразить,   что   при   оптимальном подмагничивании   не   только   частота   колебаний   стержня совпадает с частотой пульсирующего поля, но и амплитуда колебаний   возрастает   практически   вдвое.   На   рисунке   1 схематически   магнитострикционный излучатель.   Ферримагнитной   стержень   1,   совершающий ультразвуковые колебания, в дальнейшем будем называть вибратором, катушку 2 — обмоткой возбуждения, магнит 3 — намагничивающим, источник переменного напряжения 4 —ультразвуковым генератором. изображён   2. Конструкция учебного излучателя Конструкция учебного магнитострикционного излучателя ультразвука представлена   на   рисунке   2.   В   качестве   вибратора   1   излучателя   мы использовали   круглый   ферритовый   стержень   марки  M400НH диаметром 8 мм и длиной 100­160 мм. По его середине расположено 5 резиновое колечко 2, которое мягко крепит вибратор в каркасе 3 обмотки возбуждения 4. Намагничивающие ферритовый  вибратор кольцевые  керамические  магниты 5 надеты  на выступающую часть каркаса обмотки возбуждения так, чтобы нерабочий торец вибратора находился в одной плоскости с поверхностью ближайшего к нему магнита. Каркас обмотки возбуждения можно выточить на токарном  станке  из подходящего материала (оргстекла, эбонита,  текстолита, дерева и т. п.) или склеить из нескольких слоев бумаги. Обмотка возбуждения может содержать два слоя медного в лаковой изоляции провода диаметром 1.0 мм, намотанных виток к витку на длину, равную примерно половине длины вибратора. Выводы   обмотки   возбуждения   нужно   выполнить   из   многожильных   проводников   в полихлорвиниловой изоляции длиной 30­50 см, снабжённых наконечниками для зажима под клеммы или штекерами для включения в гнёзда. Обмотку возбуждения следует покрыть слоем локотками высоковольтной изоленты или несколькими слоями бумаги. Впрочем, на практике мы установили, что лучше два слоя обмотки возбуждения намотать проводником   в   полихлорвиниловой   изоляции,   которая   в   этом   случае   не   должна   быть слишком толстой (диаметром не более 1,5 мм). Для подмагничивания вибратора можно использовать два­три кольцевых керамических магнита диаметром 35 мм и толщиной 7 мм из школьного набора или один­два больших керамических магнита диаметром 50 мм и толщиной 8 мм от старых динамиков. В принципе подмагничивание можно осуществить постоянным током, проходящим по обмотке возбуждения одновременно с переменным. Однако   это   усложнение   излучателя   не   даст   сколько­нибудь   заметного   положительного эффекта. 3. Технология изготовления излучателя Каркас обмотки возбуждения излучателя можно выточить на токарном станке. Однако это требует умения, времени, наличия станка и инструментов. Мы выполним значительно более доступным   способом   изготовления   магнитострикционного   излучателя,   который   вполне подходит даже для домашних условий.  Для этого нам понадобятся два листа бумаги формата А4 (то   есть   размером 21 х 30 см) плотностью 80 г/м, ножницы, оправка (стержень внешним диаметром примерно 10 мм), клей  ПВА, многожильный  гибкий  провод длиной  7м,  сечением примерно  0,2 мм в по­ лихлорвиниловой   изоляции   диаметром   примерно   1,3   мм,   три   кольцевых   керамических магнита,   ферритовый   стержень   диаметром   8   мм,   резиновое колечко подходящего размера, карандаш, линейка, наждачная бумага   или   шкурка,   шило,   нитрокраска.   Изготовление излучателя   начнём   с   каркаса   обмотки   возбуждения.   Длина каркаса   должна   быть   равна   сумме   половины   длины ферритового стержня и толщины набора кольцевых магнитов. Каркас склеим из бумаги в последовательности, показанной на рисунке 3:1 — цилиндрическая оправка, 2 — склеиваемая из бумаги трубка, 3 — верхняя щёчка, 4 — посадочное место для кольцевых магнитов, 5 — нижняя щёчка, 6 — отверстия для выводов   обмотки   возбуждения.   Вначале   из   подготовленного   листа   бумаги   вырежем прямоугольник,   одна   сторона   которого   равна   вычисленной   длине   каркаса,   другая   — длинной   стороне   листа.   Из   бумажного   прямоугольника   изготовим   трубку,   оборачивая оправку бумагой и тщательно проклеивая её. Следим за тем, чтобы трубка не приклеилась к оправке и её потом можно было легко снять (лучше предварительно обернуть оправку тонкой бумагой). По ширине подготовленного набора магнитов вырежем из бумаги полоску и, оборачивая её вокруг трубки, приклеим полоску возле одного из концов трубки. Эту операцию   будем   повторять   до   тех   пор,   пока   на   трубке   не   получится   цилиндрическое утолщение,   внешний   диаметр   которого   равен   наименьшему   внутреннему   диаметру 6 подготовленных для излучателя кольцевых керамических магнитов, таким же способом из бумажных   полосок   шириной   4­6   мм   сделаем   щёчки   каркаса   высотой   4­5   мм.   Готовый каркас   просушим  в  течение  суток,  снимем  с  оправки  и   в  щёчке,  возле   которой  будут находиться магниты, шилом проделаем два отверстия диаметром 1,5 мм для проводников. Если необходимо работать с излучателем долго, то высушенный каркас нужно обработать мелкой шкуркой и покрыть двумя слоями нитроэмали — изделие приобретёт приятный вид   и   станет   устойчивым   к   влаге.   Конец   многожильного   провода   проденем   в   одно   из отверстий нижней щёчки так, чтобы снаружи находилось примерно 30 см провода. Плотно виток   к   витку   намотаем   два   слоя   обмотки   возбуждения.   Оставшийся   конец   провода проденем   через   другое   отверстие   щёчки.   Ферритовый   стержень   с   помощью   резинового колечка   закрепим   в   каркасе   обмотки   возбуждения   так,   чтобы   середина   ферритового стержня, середина колечка и верхний торец каркаса совпали. 4.Проверка излучателя в работе Для   проверки   работоспособности   расположим   магнитострикционный   излучатель вертикально   на   столе,   подключим   его   обмотку   возбуждения   к   выходу   выпускаемого современной   промышленностью   функционального   генератора   типа   ФГ­100   (можно использовать и другие учебные генераторы звуковой частоты, например, устаревшие типа ГЗШ или ГЗМ). Включим генератор, установим режим синусоидального сигнала, перейдём в частотный диапазон 2­20 кГц и увеличим амплитуду переменного напряжения от 0 до 5 В. Мы услышим, что излучатель издаёт слабый звук. Поместим на верхний торец вибратора лезвие   безопасной   бритвы   или   небольшую   пластинку   жести   и   плавно   будем   изменять частоту   генератора. При некотором значении   частоты лезвие начнёт   совершать интенсивные колебания,   и   будет слышен   громкий дребезжащий   звук. Это   означает,   что достигли мы     электромеханического  резонанса:  частота  переменного магнитного  поля,  создаваемого проходящим по обмотке возбуждения переменным током, совпала с частотой собственных колебаний вибратора. При этом амплитуда колебаний вибратора резко возросла, лежащее на торце вибратора лезвие перестало успевать за его колебаниями, вибратор стал ударять по   лезвию,   в   результате   чего   возник   дребезжащий   звук.   Подробно   это   явление   мы рассмотрим дальше, теперь же просто делаем вывод, что изготовленный нами излучатель работает: его вибратор колеблется, является источником упругой волны в окружающей среде.   Мы   не   советуем   оставлять   работающий   в   воздухе   на   резонансной   частоте излучатель, так как он может выйти из строя. 7 Ш. Магнитострикционный излучатель ультразвука. 1. Стоячие волны в магнитострикционном излучателе. Подключим   магнитострикционный   излучатель   к   выходу генератора   и   подберём   такую   частоту   генератора,   при которой лезвие, помещённое на торец вибратора, дребезжит наиболее громко. Не выключая генератор, уберём лезвие и пальцем коснёмся торца излучателя. Мы почувствуем, что торец   «скользкий».   Таким   же   он   воспринимается,   если двумя   пальцами   обхватить   конец   вибратора.   Перемещая пальцы к середине вибратора. Мы заметим, что ощущение скользкости   уменьшается   и   совсем   исчезает   возле   места крепления   вибратора   в   каркасе   обмотки   возбуждения. Проделанные   наблюдения   показывают,   что   амплитуда колебаний   вибратора   максимальна   вблизи   торца   и уменьшается к его середине, где становится равной нулю.  Отсюда   следует,   что   вдоль   вибратора   колебания   распределены   неравномерно.   Но неравномерное   распределение   амплитуды   колебаний   характерно   для   стоячей   волны,   в которой чередуются области максимальной и минимальной амплитуды  (пучности и узлы) колебаний. Таким образом, простое ощупывание работающего вибратора показывает, что в нём устанавливается стоячая упругая волна с пучностями смещения на концах и узлом смещения посередине  вибратора.  Значит, на длине вибратора 1 укладывается  половина длины   волны   А   ультразвука   в   материале   вибратора.   Этой   наибольшей   длине   волны соответствует наименьшая частота, на которой можно возбудить данный вибратор. Она называется  основной собственной частотой  вибратора. Возможны резонансные колебания вибратора на более высоких собственных частотах, которые называются  гармониками.  В этом случае в вибраторе тоже устанавливаются стоячие   волны   так,   что   на   длине   вибратора укладывается   несколько   длин   полуволн ультразвука. Мы чаще всего будем работать на основной   собственной   частоте   вибратора, поскольку   амплитуда   колебаний   на   этой частоте больше, чем на любой из гармоник. В 8 этом нетрудно убедиться, добиваясь резонансных колебаний вибратора на более высоких частотах, чем основная. 2. Механические напряжения в вибраторе. Дело   в   том,   что   интенсивность   ультразвуковых   колебаний   находящегося   в   воздухе ферритового   вибратора   настолько   велика,   что   при   достаточно   длительной   работе   он неизбежно   будет   разорван   на   части!   Разве   не   восхитительно,   что   мы   научились   так преобразовывать   энергию   одной­двух   батареек,   что   её   хватает   для   разрыва   прочного стержня! Конечно, феррит хрупок, и стержень из него нетрудно переломить руками. Но попробуем,   растягивая   руками,   разорвать   этот   стержень!   Конечно,   у   нас   ничего   не получится, поскольку прочность феррита на разрыв достаточно велика. Говорят, великий Шаляпин голосом вводил хрустальные бокалы в резонанс так, что они на глазах изумлённых зрителей, вибрировав, взрывались. Нечто подобное пытался сделать и знаменитый   сейчас   Вита   в   видеоклипе,   который,   впрочем,   больше   похож   на   удачный монтаж, чем на свидетельство необычайных способностей певца. Но, конечно, никто из них не смог бы своим голосом сделать с ферритовым стержнем то, что мы спокойно делаем своим генератором. Настало время разобраться с физикой этого явления. Начнём с тщательного анализа того, как оно происходит, а для этого в первую очередь вспомним условия эксперимента. Мы располагаем магнитострикционный излучатель вертикально, его вибратор мягко закреплён за середину и полностью находится в воздухе. Далее мы настраиваем генератор в резонанс с вибратором. Сразу вибратор никогда не разрывается. Должно пройти некоторое время, в течение   которого   вибратор   совершает   колебания   с   максимальной   амплитудой,   и   затем происходит его разрыв. Чаще всего область разрыва находится вблизи середины вибратора. Но   вблизи   середины   смещение   стоячей   волны   минимально,   то   есть   вибратор   там практически не колеблется. Зато деформация стержня и механическое напряжение, равное отношению   силы   упругости   к   площади   поперечного   сечения   вибратора,   максимально! Значит,   опыт   ещё   раз   подтверждает,   что   в   стержне   устанавливается   стоячая ультразвуковая волна, пучность механических напряжений которой находится в середине стержня. Чтобы сломать стальную проволоку, нам приходится изгибать её в ту и другую сторону столько раз, пока не достигнем предела усталостной прочности материала. Точно так же при   колебаниях   «устаёт»   ферритовый   стержень   и   ломается   тогда,   когда   наступает соответствующий   предел.   Можно   количественно   оценить,   сколько   колебаний   должно произойти, чтобы феррит порвался, и определить максимальное время, которое способен проработать ферритовый вибратор в воздухе. Делать этого мы не станем, но возьмём себе за правило не держать в воздухе работающий вибратор сколько­нибудь длительное время и выключать ультразвук сразу по окончании эксперимента. Мы внимательно рассмотрели излом ферритового стержня. И заметили, что почти всегда он происходит там, где в толще феррите имелся дефект — неоднородность, постороннее включение   или   газовый   пузырёк.   Впрочем,   магнитным   антеннам,   для   которых   и предназначены ферритовые стержни, особая прочность вовсе и не нужна.  3. Почему второй торец вибратора должен быть сухим?  Значит ли всё это, что ферритовый вибратор магнитострикционного излучателя никуда не годится? Конечно, нет. Дело в том, что в воздухе работает практически ненагруженный вибратор.   Коэффициент   отражения   упругой   волны   на   границе   феррит­воздух   весьма близок к единице, поэтому ультразвук, дойдя до торца вибратора, полностью отражается 9 назад, и вся энергия оказывается сосредоточенной в феррите. Но излучатель нам нужен не для этого, а для того, чтобы возбуждать ультразвук в окружающей среде. Закрепим обмотку возбуждения магнитострикционного излучателя вертикально так, чтобы снизу выставлялся конец вибратора, а магниты положим   на   стол   на   расстоянии   нескольких сантиметров от этого конца. На верхний торец вибратора   нанесём   каплю   воды   и   настроим генератор в резонанс с вибратором. При этом капля немедленно распылится. Теперь нанесём капли воды одновременно на верхний и нижний торцы вибратора и повторим опыт. Наконец,   нанеся   капли   воды   на   оба   торца вибратора,   к   нижнему   подведём   достаточно толстую   твёрдую   пластинку   (стекло, пластмасса,   дюраль)   так,   чтобы   между   её поверхностью   и   нижним   торцом   вибратора   оказался   слой   воды.   Настроив   генератор   в резонанс с вибратором. Мы обнаружим, что в этих условиях верхняя капля колеблется, но отнюдь не распыляется! Куда же исчезла интенсивность ультразвука? Ультразвуковая волна ушла из вибратора в твёрдую пластинку. Говорят, достигнут  акустический контакт. Сейчас для нас важно то, что нагруженный вибратор, который излучает энергию в упругую среду, колеблется с гораздо   меньшей   интенсивностью,   чем   ненагруженный,   и   поэтому   способен   без   излома проработать значительно большее время.   4. Скорость звука в материале вибратора В последние годы стали доступными цифровые мульти метры — многофункциональные электроизмерительные   приборы,   позволяющие   измерить   напряжение,   силу   тока, сопротивление,   ёмкость,   температуру   и   т.   д.   Некоторые   из   этих   приборов   допускают измерение   частоты   переменного напряжения   в   диапазоне   до   20   кГц. Это   позволяет   определить   частоту ультразвуковых   колебаний   и вычислить   скорость   звука   в материале вибратора. Как обычно,   поставим магнитострикционный   излучатель   на   стол   вертикально   и   на   торец   вибратора   поместим лезвие. Подключим излучатель к генератору и выход генератора одновременно соединим с щупами   мульти   метра.   Переведём   мульти   метр   в   режим   измерения   частоты.   Включим питание   ультразвукового   генератора   и   настроим   генератор   в   резонанс   с   вибратором. Запишем высветившееся на индикаторе значение частоты ультразвуковых колебаний.  На рисунке показана ещё одна возможная экспериментальная установка для определения основной   собственной   частоты   колебаний   вибратора.   В   ней   конец   вибратора 10 магнитострикционного излучателя опущен в сосуд с водой. При настройке генератора в резонанс   с   вибратором   мы   услышим   довольно   громкий   шипящий   звук.   Это   — квитанционный шум,  который мы имели  возможность исследовать.  Настроим генератор так, чтобы громкость квитанционного шума была максимальной, и запишем получившееся значение   частоты   колебаний.   Существует   связь   между   длиной   волны,   скоростью   её распространения и периодом или частотой: Подставляя сюда значение длины волны из формулы (1), для скорости звука в материале вибратора получаем  V = Λ/T=XV=2LΛ. В опыте для вибратора длиной L = 160 мм, мы получили значение частоты V=18 кГц. следовательно, скорость звука в феррите V = 5760 м/с. Не правда ли, впечатляет, что в простом эксперименте мы измерили столь значительную величину. IV. Ультразвуковой генератор низкой частоты.     1. Принципиальная схема генератора Принципиальная   схема   рекомендуемого   ультразвукового   генератора   изображена   на рисунке. На транзисторе VТ 1 выполнен задающий генератор с ёмкостной обратной связью, а   на   транзисторе  VТ   2  —   усилитель   мощности.   Задающий   генератор   вырабатывает синусоидальные  колебания,  частота которых определяется  колебательным  контуром  L, С1, то есть индуктивностью катушки  L  и  ёмкостью конденсатора  С1. частоты Регулировка производится внутри перемещением  L каркаса настроечного   ферритового сердечника.   Режим   работы транзисторов задаётся делителями напряжения R1, R2 и R4, R5. Конденсатор С2 сглаживает пульсации эмиттерного тока, идущего через резистор RЗ, и стабилизирует положение рабочей точки транзистора VТ 1. Разделительный конденсатор СЗ предотвращает попадание постоянного напряжения с резистора  RЗ  на базу транзистора  VТ 2.  Нагрузкой генератора является непосредственно обмотка возбуждения магнитострикционного излучателя МСИ, поэтому форма выходного напряжения генератора далека от синусоидальной.    катушки 2. Конструкция ультразвукового генератора 11 Сборку генератора можно осуществить методом навесного монтажа. Преимущества его в том,   что   не   надо   тратить   время   и   материалы   на   разработку   и изготовление   платы,   панели,   корпуса,   установку   клемм,   гнёзд, тумблеров, разъёмов и т. п. Наша задача не в том, чтобы сделать внешне красивый прибор и затем любоваться им на досуге. Нам нужно и качественно   изготовить ультразвуковой генератор,   пусть   даже внешне быстро       к непритязательный,   но   внутренне,   безусловно, прекрасный и, главное, надёжный в работе, всегда переделкам, готовый совершенствованиям. весьма   поэтому   места   соединений существенно, радиодеталей   нужно   делать   так,   чтобы   при перепайке они не разваливались.   Последнее изменениям,       3. Технология изготовления прибора Начинать изготовление генератора следует с намотки контурной катушки L1. Основой её является каркас длиной 40­50 мм с осевым отверстием диаметром 9 мм. Сделать каркас можно   из   бумаги   по   описанной   в   предыдущей   статье   технологии   изготовления магнитострикционного излучателя. Однако проще в качестве каркаса контурной катушки использовать отрезок полихлорвиниловой трубки 1 диаметром 10 мм и длиной 60 мм . На трубку   наденем   резиновые   колечки  2  шириной   5   мм,   под   них   проденем   облаженные латунные лепестки 3 и 4, к которым припаяем начало, а после намотки — конец провода 5. Наматывать катушку нужно виток к витку, прокладывая между соседними слоями тонкую бумагу  6.  Обмотка должна содержать 550 витков медного провода в лаковой изоляции диаметром около 0,27 мм (это составляет примерно 5 слоев). Настроечным сердечником 7 контурной   катушки   генератора   является   отрезок ферритового стержня диаметром 8 мм и длиной 60­70 мм.  При   работе   генератора   на   транзисторе  VТ   2  выделяется довольно   значительная   мощность.   Чтобы   исключить перегрев   и   выход   из   строя   транзистора,   его   следует снабдить   радиатором,   в   качестве   которого   можно использовать пластинку дюраля минимальным размером 5 х 20   х   50   мм.   К   такому   радиатору   транзистор   плотно привинчивают винтом МЗ с гайкой. Радиодетали удобно соединять в порядке обозначения узлов на   монтажной   схеме.   Прежде   чем   паять,   плоскогубцами выпрямите   и   ножом   зачистим   выводы   всех   радиодеталей   и   концы   соединительных проводов. Сделать это нужно для того, чтобы снять с проводников изоляцию и оксидную плёнку,   которые   препятствуют   их   электрическому   контакту.   От   аккуратности   и тщательности этих операций зависит надёжность работы нашего прибора. Затем обсудим жало паяльника. Для этого на мгновение погрузим очищенное жало паяльника в канифоль и быстро перенесём на припой, стараясь расплавить его. Будем повторять операцию до тех пор, пока жало паяльника равномерно не покроется серебристым слоем расплавленного припоя.   После   этого   последовательно   обладим   выводы   всех   радиодеталей   и соединительных проводов. Делается это так. Зачищенный конец проводника накладываем на кусок канифоли, об лужённым жалом паяльника расплавляем припой так, чтобы на жале 12 осталась   небольшая   капля   и   этой   каплей   расплавленного   припоя   проводим   по   концу проводника, одновременно поворачивая проводник вокруг оси с тем, чтобы он равномерно покрылся тонким слоем припоя. Как правило, облучённые концы радиодеталей и проводов должны   быть  не  длиннее   5  мм.  Облуживание  следует  производить  достаточно  быстро, чтобы   не   допустить   перегрева   радиодеталей   (особенно   боятся   перегрева полупроводниковые приборы). Сам процесс пайки генератора прост и приятен: нужно соединяемые детали привести в соприкосновение, затем прикоснуться к месту их соединения жалом паяльника с каплей расплавленного   припоя   на   его   конце,   выждать   небольшое   время,   пока   не   расплавится полуда   на   концах   соединяемых   деталей   и   припой   равномерно   не   растечётся   по   месту соединения, убрать паяльник и подождать, пока припой не затвердеет, приобретя матовый оттенок. При соединении трёх или более выводов, а также в том случае, если к данной точке впоследствии предполагается припаивать что­то ещё, выводы можно предварительно соединить тонким медным проводом, который заранее необходимо очистить от изоляции и обсудить. 4. Налаживание и проверка генератора в работе Для питания генератора можно использовать 2­4 последовательно соединённые батарейки на   напряжение   4,5   В   каждая.   В   некоторых   опытах   достаточно   напряжения,   даваемого одной батарейкой, большинство опытов обеспечивается напряжением питания генератора 9 В.   Правильно   собранный   генератор   никакого   налаживания   не   требует.   Иногда   в   силу разброса параметров радиодеталей резонансная частота магнитострикшюнного излучателя не попадает в диапазон частот генератора. Тогда нужно подобрать ёмкость конденсатора С 1 или количество витков катушки L. Проверку   работоспособности   генератора   проведём   в   такой   последовательности. Магнитострикционный излучатель поставим вертикально на стол и на торец его вибратора поместим   лезвие.   Настроечный   ферритовый   сердечник   контурной   катушки   генератора полностью вдвинем в каркас этой катушки. Включим питание генератора. При этом мы услышим   слабый   звук  высокой   частоты.   Медленно,   поворачивая   вокруг  оси,   выдвинем настроечный   сердечник   из   каркаса   контурной   катушки.   Звук   будет   ослабевать   и   при определённом   положении   сердечника   мы   вообще   перестанем   его   слышать.   Продолжим выдвигать сердечник до тех пор, пока лезвие не начнёт дребезжать на торце вибратора. Проскочим это положение и вновь вернёмся к нему. При найденном положении сердечника имеет   место   резонанс:   частота   генератора   совпадает   с   основной   собственной   частотой вибратора, и амплитуда его колебаний резко возрастает. Чтобы окончательно убедиться, что изготовленные нами приборы работают как надо, уберём с торца вибратора лезвие и аккуратно   нанесём   на   него   каплю   воды.   Настроим   генератор   в   резонанс   с   вибратором магнитострикционного излучателя. Если при этом капля воды немедленно распыляется, то наши   приборы   действительно   обеспечивают   получение   ультразвука   необходимой интенсивности. Для удобства работы с генератором его следует заключить в пластиковый корпус, изготовленный из подходящей упаковки, например, из пластиковой бутылки, как это   показано   на   рисунке   или   поместить   в   специальный   корпус,   на   котором   будет закреплена ручка регулятора и два вывода для выключателя.  13 V .УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ДИАГНОСТИКА. Исследование органов и тканей при помощи ультразвука безопасно и очень информативно. С середины  XX  в. этот метод широко применяется во всём мире. Существует огромное количество аппаратов для проведения ультразвуковых исследований (УЗИ). Самые совер­ шенные из них — стационарные. Эти большие аппараты с множеством дополнительных устройств   —   видеокамерами,   принтерами   и   т.   д.,   как   правило,   работают   в   крупных клиниках   и   диагностических   центрах.     Портативные,   лёгкие   переносные   аппараты используются в удалённых районах. Ультразвук   —   механические   колебания   высокой   частоты   (более   20   000   Гц)   — человеческий слух не воспринимает. В ультразвуковой диагностике обычно применяются частоты от 2 до 20 МГц (для исследования поверхностных или мелких структур — от 7,5 до 20 МГц). Датчик  состоит из одного или  нескольких  пьезоэлектрических  элементов, которые превращают акустические и механические колебания в электрические и обратно. Его прикладывают к поверхности кожи, на которую нанесён слои геля, обеспечивающего хороший   акустический   контакт.   Электрический   сигнал,   подаваемый   на   датчик, преобразуется им в механические колебания, они и распространяются вглубь тканей. На границах   между   тканями   волны   преломляются   и   отражаются,   создавая   эхосигнал, возвращающийся   к   датчику.   Там   он   вновь   превращается   в   электрический   и   после обработки формирует изображение внутренних органов пациента на экране монитора. Ультразвуковой   аппарат,   соединённый   с   компьютером,   —   это   уже   ультразвуковой томограф. Во многих случаях он может успешно заменить рентгеновский томограф и в отличие от последнего не оказывает вредного воздействия на организм. 14 VI. Изгибные волны   даёт   мнимое 1. Отражение изгибных волн  от  круглых краёв пластинки Вспомним   о   сферических   зеркалах. Выпуклое   сферическое   зеркало   имеет мнимый фокус и, подобно плоскому зеркалу,   изображение всегда действительного   источника.   Вогнутое зеркало имеет действительный фокус и даёт действительное     изображение       реального источника,   если   он   отстоит   от   зеркала   на расстоянии, превышающем фокусное. Что касается фокусного расстояния сферического зеркала, то оно равно половине его радиуса кривизны. При этом справедлива формула идеального сферического зеркала: (1/a + 1/b= 1/f ) ,где а и b — расстояния от зеркала до предмета и изображения соответственно, f — фокусное расстояние зеркала. Расстояния a, b и f берутся со знаком плюс, если источник, изображение или фокус действительны, и со знаком минус в противном случае. 15 Сделаем один край листа плотной белой бумаги вогнутым круглым с радиусом кривизны 7­ 15 см. Карандашом проведём на листе ось так, чтобы она проходила через центр кривизны круглого края. Подготовленный лист, как обычно, положим на мягкую горизонтальную подложку и равномерно посыплем лёгким сыпучим порошком. Прикоснёмся торцом вер­ тикально расположенного вибратора к произвольной точке листа, лежащей на обозначенной оси. Мы   увидим,   что   порошок   на   листе   перераспределился,   обозначив   минимумы интенсивности интерференционной картины (рис. 1)  Рис.1. Интерференция при отражении от вогнутого края пластинки Карандашом   аккуратно   обозначим   точки   минимумов,   стряхнём   с   листа   порошок   и нарисуем систему минимумов интенсивности (рис. 2).   Рис.2. Исследование интерференции при отражении от вогнутого края. В результате этого эксперимента мы обратили внимание, что в отличие от прямого края листа центральный максимум интенсивности АА', относительно которого симметрична вся картина, теперь уже не совпадает с краем листа. Обозначим центр кривизны R круглого края и его фокус F. Пользуясь хорошо известными правилами, построим изображение S' источника S в круглом крае. Для этого из S проведём произвольный   луч   до   края   зеркала,   через  R  параллельно   этому   лучу   проведём вспомогательную   прямую   до  пересечения   с  фокальной   плоскостью   зеркала   и,   наконец, через найденную точку и точку касания падающего луча с зеркалом проведём отражённый луч и продолжим его до пересечения с оптической осью зеркала. Так мы получим мнимое изображение S' источника волн S. Убедимся, что максимум интенсивности АА1 проходит в точности через середину отрезка SS' и перпендикулярен ему. Измерим расстояния, а, b, f и, пользуясь правилом знаков, убедимся, что справедлива формула зеркала. Теперь круглым краем листа смоделируем вогнутое зеркало и, выполнив соответствующие эксперименты, докажем, что он способен дать как действительное (рис. 3), так и мнимое изображение источника изгибных волн {рис. 4). 16 Рис.3                                                               Рис.4 2. Стоячая ультразвуковая волна в круглой пластинке. 17 Из   оргстекла,   эбонита,   дюраля   толщиной   1   ­2  мм   вырежем   диск   диаметром   10­15  см. Положим   диск   на   мягкую   подкладку   и   равномерно   посыплем   его   речным   песком   или мелкими   кристалликами   какого­либо,   не   прилипающего   к   диску   вещества.   Если   диск изготовлен из светлого материала,  то  в  опытах удобно использовать марганцовокислый калий, если из тёмного ­ нашатырь, хлорновато­кислый калий, сахарный песок. Торцом   вибратора   расположенного   вертикально   магнитострикционного   излучателя прикоснёмся к центру круга. Включим ультразвук. При этом кристаллики на поверхности диска   сразу   придут   в   движение   и   через   несколько   секунд   обозначат   концентрические круговые линии (рис. 5).    Рис.5. Стоячая волн, а в круговом дюралевом диске.                                                                   Вспоминая проделанные  нами опыты с изгибными волнами, мы заметили,  что порошок собирается   в   минимумах   интенсивности   интерференционной   картины.   Интерферируют, очевидно, волны, идущие от расположенного в центре диска вибратора и отражённые от края диска. Так как эти волны распространяются навстречу друг другу, то можно сказать, что в диске устанавливается стоячая изгибная волна, причём расстояние между соседними узлами,  обозначенными  собравшимся  в них порошком, равно половине  длины  изгибной волны в материале пластинки. Обратим внимание: первый узел отстоит от края пластинки на расстояние, равное половине промежутка   между   любыми   соседними   узлами.   Значит,   на   краю   пластинки   образуется пучность смещений стоячей волны или, что тоже самое, интерференционный максимум интенсивности. Но максимум получается в тех точках, в которых волны интерферируют в фазе. Таким образом, опыт показывает, что при отражении от свободного края пластинки фаза падающей на него волны не изменяется. Различные   фигуры,   обозначенные   порошком   на   поверхности   колеблющихся   пластинок, называются  фигурами   Хлад   ни  по   имени   выдающегося     учёного   ,основоположника акустики ,впервые наблюдавшего их более двух веков назад. 3.Фокусировка волн эллиптическим отражателем. Из тонкого листа дюраля (толщиной 0,3 мм) вырежем эллиптическую пластинку. Эллипс ­это геометрическое место точек, сумма расстояний от которых до двух данных точек, называемых фокусами, есть величина постоянная. Исходя из этого определения, нетрудно начертить   эллипс   на   бумаге.   Для   этого   достаточно   обозначить   положения   фокусов 18 будущего эллипса, воткнуть в них булавки, на булавки накинуть нитяную петлю, длина которой   превышает   удвоенное   расстояние   между   фокусами,   натянуть   петлю   грифелем карандаша и провести им замкнутую кривую на бумаге. Вырезанную из дюраля эллипти­ ческую пластинку равномерно посыплем песком. Вертикально расположенным вибратором работающего   излучателя   прикоснёмся   к   пластинке   в   одном   из   фокусов   эллипса.   Мы обнаружим   удивительно   симметричную   картину:   круговые   волны,   вышедшие   из   одного фокуса эллиптической пластинки, после отражения от её эллиптического края собираются во втором фокусе (рис. а). Если использовать другую пластинку с эллиптическим краем, то явление остается тем же (рис. б). Рис.6. Фокусировка ка волн в пластинке в форме эллипса Можно   утверждать,   что   волны,   одновременно   вышедшие   по   разным   направлениям   из одного фокуса эллипса, приходят во второй фокус тоже одновременно. Действительно, по самому   определению   эллипса   эти волны от одного до другого фокуса проходят равные расстояния, а поскольку пластинка однородна и изотропна, скорости этих волн одинаковы, значит и одинаково время их прохождения. Французский учёный Ферма сформулировал общий принцип, согласно которому волны от одной   до   другой   точки   распространяются   по   такому   пути,   время   прохождения   по которому  экстремально,  то   есть   максимально,   минимально   или   стационарно.   Волны, идущие из одного фокуса эллиптической пластинки, после отражения от её края в другой распространяются   по  тата   хранёными  траекториям,   время   прохождения   которых стационарно. Внимательно   рассмотрев   распределение   порошка   на   эллиптических   пластинках,   мы увидели, что интерференционные полосы между фокусами представляют собой равноот­ стоящие друг от друга гиперболы, центральные части которых перпендикулярны отрезку, соединяющему фокусы. Отсюда следует, что на эллиптической пластинке интерферируют две круговые волны с центрами в её фокусах. Значит, круговые, расходящиеся из одного фокуса   волны,   после   отражения   от   эллиптического   края   пластинки   превращаются   в круговые волны, сходящиеся во втором фокусе. Фокусирующее   действие   эллиптической   поверхности   часто   используется   на   практике. Например,   в   лазерах   для   оптической   накачки   импульсную   лампу   помещают   в   одной фокальной линии зеркального эллиптического цилиндра, а активное вещество в другой. 19 4. Фокусировка волн параболическим отражателем Спросим себя: каким должен быть край пластинки, чтобы при отражении от него круговая волна превратилась в прямолинейную? Чтобы ответить на этот вопрос, надо воспользо­ ваться принципом Ферма. В прямоугольной системе коор­ динат  хОу  на   оси  у  обозначим точку S  (0;  f),  из   которой   выходят круговые волны Σ.s (см. рис.).    К   нахождению   формы Рис.   края,   при   отражении   от которого   волновой   фронт представляет собой прямую   что   после отражения   от   криволинейного   края   пластинки   их   волновой   фронт   представляет   собой прямую   линию  Σ.   Согласно   принципу   Ферма,   все   пути   типа  SAB  должны   быть   тата хранёными. Это означает, например, что    SA + АВ ­ SO + ОС .    Вспоминая теорему Пифагора, имеем Будем   считать, Так как АВ = а­у , SO = f и ОС = а, то из принципа Ферма следует равенство Отсюда Далее, освобождаясь от корня и производя небольшие преобразования, получаем Но ведь это не что иное, как уравнение параболы! Вырезаем из тонкого дюраля пластинку, один край которой представляет собой параболу, а   второй   ­прямую,   перпендикулярную   оси симметрии   параболы.   Посыпаем   её   песком   и, установив   в   фокусе   параболического   края излучатель   изгибной   волны,   убеждаемся,   что после   отражения   от   этого   края   получается плоская волна (см. рис.)! Напомним,   что   параболические   отражающие поверхности   имеют   зеркала   всех   приличных оптических   и   радиотелескопов,   прожекторов, спутниковых   антенн   и   других   устройств, предназначенных   для   получения   параллельных пучков или фокусировки их в точку. Рис.     Распределение   порошка   на   поверхности   пластинки,   в   которой   распространяется волна, вышедшая из фокуса параболического края 20 Самостоятельное исследование ­Используя   генератор   типа   ФГ­100,   мы   убедились,   что   магнитострикционный излучатель без подмагничивания  действительно совершает колебания с частотой, в два раза   превышающей   частоту   переменного   тока   (90­100   Гц),   проходящего   по   обмотке возбуждения. ­При подмагничивании вибратора мы заметили, что не только частота его колебаний уменьшается в два раза, но и в два раза возрастает амплитуда колебаний. При увеличении магнитного поля слышится более отчетливый свист, следовательно, мы можем слышать ультразвуковые колебания, что подтверждает нашу выдвинутую гипотезу.  ­   Ферритовый   вибратор   возбуждается   не   на   одной,   а   на   нескольких   частотах. Пользуясь   генератором   типа   ФГ­100,   мы   определили   все   резонансные   частоты магнитострикционного излучателя (15­19 кГц). ­При   увеличении   частоты   у   нас   часто   возникал   резонанс   с   разломом   ферритового стержня, так как он изготавливается из никеля и может быть очень хрупким. кроме этого в ферритовых стержнях часто присутствуют пузырьки воздуха и примеси, что способствует быстрому разлому. ­ При введении ферритового стержня в магнитные поля он становится немного короче, его относительная деформация примерно составляет ΔL\L=10­6 ­ Используя электронный осциллограф мы исследовали с его помощью напряжения на характерных   участках   схемы   ультразвукового   генератора   и   определили   форму напряжений,   нашли   зависимость   частоты   и   амплитуды   выходного   напряжения   от положения сердечника в контурной катушке и пришли к выводу, что частота вибратора зависит напрямую от амплитуды выходного напряжения. ­   Наблюдение   резонанса   с   ферритовым   вибратором   разной   длины   (150­200   мм) определило, что настроечный сердечник должен находиться ближе к середине сердечника. ­Интенсивность   ультразвуковых   колебаний   зависит   от   величины   намагничивающего вибратора поля (числа магнитов на излучателе). Чем сильнее магнит, тем интенсивность больше.   Следовательно,   магнитное   поле   усиливает   интенсивность   ультразвуковых колебаний. ­ Количественно подтвердим справедливость формулы идеального зеркала для  вогнутого отражающего края пластинки. Для этого мы проделали опыты с пластинками, имеющими отражающие края разной кривизны, что подтверждено в ходе работы на фотографиях. ­ Мы прикасались вибратором магнитострикционного излучателя к различным точкам посыпанного кристаллами крута. Мы увидели, что при этом каждый раз получаются   разные   фигуры   Хлад   ни   и   попытались   уловить   закономерность.   Порошок распределялся на поверхности пластинки, в которой распространялась волна, по эллиптической кривой и выходила из фокуса параболического края. ­ Вырезали круглую пластинку из тонкого текстолита, возбудили изгибную волну в ее центре. Мы убедились, что скорость изгибной волны в различных направлениях этой пластинки различна, так как кривые имели различный радиус искривления. ­ Затем мы исследовали стоячие волны, которые получаются в пластинках эллиптической формы при возбуждении их в разных точках. ­ В результате мы убедились, что близкие к плоским волны, падающие на параболический край упругой пластинки, собираются в ее фокусе. 21 В данной работе мы рассмотрели устройство магнитострикционного излучателя  Заключение ультразвука, ультразвукового генератора низкой частоты, а также возможности и  принцип работы представленного устройства. Основой нашей работы был научный труд доктора педагогических наук  Майера Валерия Вильгельмовича, профессора, заведующего кафедрой физики и дидактики физики, декана физического факультета Глазовского  государственного педагогического института и ассистента кафедры физики  Вараксиной Екатерины Ивановны. В своей работе мы рассмотрели принцип  действия, конструкцию, технологию изготовления и модернизацию прибора,  исследование работы магнитострикционного излучателя, так же рассмотрели  фокусировку волн и принцип Ферма. Наш прибор работал в диапазоне частот от 15­50 кГц, что позволило нам  наблюдать ультразвуковые колебания более четкими, резонанс с различными  амплитудами при разломе ферритового стержня разной длины (15­20 см). Мы  пришли к выводу, что чем меньше длина ферритового стержня, тем частота при  которой возникал резонанс была меньше, амплитуда колебаний больше и  наоборот. учебные исследования, предлагаемые профессором В. В. Майером и  старшем преподавателем Е. И. Вараксиной   раскрыли перед нами глубокую  аналогию между акустическими и оптическими явлениями, позволили  прочувствовать единство волновых закономерностей для волн различной  физической природы. В опытах, которые мы проводили с прибором получались  акустические изображения источника изгибной волны, полностью подобные  оптическим изображениям в различных зеркалах. Знания и умения, которые мы получили в ходе работы с  магнитострикционного излучателя оставили огромный след в нашей жизни и  чувство эстетического наслаждения. 22 Литература 1. Касьянов В.А. Физика 10­11 класс. Учебник для общеобразовательных учебных  заведений. Издательство «Дрофа» 2001 год 2. Ландсберг Г. С. Элементарный учебник физики I, II, Ш том. Издательство  «Просвещение» 1988 год 3. Мелковская Л.Б. Повторим физику. Учебное пособие для поступающих в ВУЗы.  Издательство «Высшая школа» 1977 год 4. Мультимедийный диск «Открытая физика 1 О». Windows 1. lx/95/98/NT, 386SX 5. Пинский А. А. Физика 10 класс с углубленным изучением физики. Издательство 6. Пинский А.А. Физика 11 класс с углубленным изучением физики. Издательство  «Просвещение» 2005 год «просвещение» 2005 год 7. Потенциал. Журнал для старшеклассников и учителей. №8 август 2006 г. 8. Потенциал. Журнал для старшеклассников и учителей. №5 май 2007 г. 9. Потенциал. Журнал для старшеклассников и учителей. №10 октябрь 2006 г 10. Энциклопедия для детей физика ­ 2е изд., испр. и доп./Глав. ред. Н.Д. Аксенова. ­  М.: Аванта +, 1998. ­ 688 с: ил.