Ультразвуковые излучатели, Согласование с воздушной средой Опции

[Энтомолог]

Имеется задача сделать достаточно мощный ультразвуковой излучатель для работы в воздухе. Фото 50-ватного 20 кГц преобразователя в прикрепленном файле.

На втором фото показаны маленькие 25 кГц излучатели с которыми я провел несколько экспериментов, пытаясь понять как они работают. На фото слева направо: излучатель в сборе, излучатель со снятым корпусом, излучатель с оторванным излучателем и сам излучатель в профиль. Излучатель представляет из себя конус из неупругого металла (какой-то сплав алюминия 0.15 мм) залитый под край силиконовым герметиком.

Что я делал со всем этим:
1. Удалил излучатель (был приклеен каплей эпоксидного клея). Результат - уход резонанса чуть вверх (точно не помню, но в пределах 5%) и падение мощности излучения как минимум в 100 раз.
2. Удалял герметик. Мощность излучения падала в 2-3 раз, но работало.
3 Делал излучатели другого диаметра и массы. Возникали дополнительные резонансы, но мощность излучения там не превышала 1/10 от основной частоты резонанса пьезоэлемента.

Буду благодарен за советы как сделать излучатель для большого преобразователя или ссылки на литературу по этому вопросу (именно про согласование с воздушной средой).

[saab]

Имеется задача сделать достаточно мощный ультразвуковой излучатель для работы в воздухе. Фото 50-ватного 20 кГц преобразователя в прикрепленном файле.

А согласование как всегда. Длина волны в среде в воздухе 300м/с а в металле больше 1000м/с тут и весь ответ. Согласование двух столь разнородных сред с малым отражением на границе, довольно проблематично. Ну а сборка лямбда /4 до неизлучающего конца а общая длина 3/4 лямбды.
Да и добротность резонатора может достигать 30-100 едениц, кто не вкусе это промежность между последовательным и парралельным резонансами. Я даже удосужился заснять на VNA реальные параметры для дальнейшего моделирования. В общем виде трансформатор - концентратор и на конце блямба и давление 160dB на 1m обеспечено.

[Rst7]

Moderator: Господину saab'у предлагается добровольно свои посты в порядок привести, сроку до завтрашнего обеда. Не будет адекватной лексики - будет наказание.

UPD: 2 недели R/O Господину saab'у.

[VNS]

Имеется задача сделать достаточно мощный ультразвуковой излучатель для работы в воздухе. Фото 50-ватного 20 кГц преобразователя в прикрепленном файле.
Буду благодарен за советы как сделать излучатель для большого преобразователя или ссылки на литературу по этому вопросу (именно про согласование с воздушной средой).

Вам нужно определиться со своими потребностями. 50 Вт! Вы для пайки хотите его использовать? Согласование с воздушной средой в каком объёме воздуха? Почему именно 20 кГц? Только из-за того, что такой излучатель имеется у Вас в наличии? Я не придираюсь. Просто определение "воздух" мало подходит для выбора конструкции согласующего устройства.
Для ответа нужно задать расстояние от излучателя, на котором будет выделяться указанная мощность, и объём.
Если не ошибаюсь, то этот излучатель формировал ультразвуковую волну в жидкости.

[Энтомолог]

Вам нужно определиться со своими потребностями.

Использовать для пайки не буду.

Объем воздуха не ограничен, на открытом пространстве излучатель будет работать или в большом помещении.

20кГц - это оптимальная частота для нас. 25 высоковато, ниже 20 уже сильно слышно.

50W генерируется в излучателе. Очень хочется, чтобы большая часть ее все же излучалась. В плане диаграммы направленности, интересует как вариант узконаправленный (градусы), так и более широкий (десятки градусов).

Именно этот излучатель пока нигде ничего не формировал, он новый, куплен в магазине. В воде он должен работать лучше, т.к. скорости звука в воде и алюминии ближе и, самое главное, как я понимаю, плотность воды намного ближе к аллюминию, чем к воздуху.

В маленьких излучателях проблема с воздушной средой решена, я ищу информацию по расчету подобных систем, чтобы применить это все с большим излучателем.

[HardEgor]

В маленьких излучателях проблема с воздушной средой решена, я ищу информацию по расчету подобных систем, чтобы применить это все с большим излучателем.

Расчет подобных систем требует теоретической подготовки, например Г. Кайно Акустические волны
Мощные системы обычно делают на электромеханических резонаторах.

[Энтомолог]

Расчет подобных систем требует теоретической подготовки, например Г. Кайно Акустические волны
Мощные системы обычно делают на электромеханических резонаторах.

А чем вам мой 50Вт пьезоэлектрический преобразователь (на фото) не нравится?! Меня он устраивает.

Спасибо за подсказку про книгу. Действительно большая и увлекательная, но по теме я там информации не нашел. Буду благодарен, если уточните:
http://ns2.megahost.su/g/%D0%9A%D0%B0%D0%B...%D0%BE%20%D0%93.

[HardEgor]

Чуть ли не первые главы - как согласовывать.
По простому надо подобрать материалы с необходимым волновым сопротивлением и рассчитать их толщины, чтобы были минимальные потери на частоте резонанса. Обычно делают слоеный пирог из 2-3 материалов с понижением сопротивления от пьезокристалла до воздуха. А дальше куча технологических проблем - как всё это соединить чтобы не развалилось

upd. Кстати, идеальная согласующая прокладка имеет переменный импеданс - от пьезокристалла до воздуха. Выглядит просто - берем связующее с импедансом как у воздуха, берем наполнитель с импедансом как у пьезокристалла и смешиваем с таким распределением концентрации, чтобы максимальная концентрация наполнителя была около пьезокристалла, а минимальная - со стороны воздуха.

[AlexanderC]

Объем воздуха не ограничен, на открытом пространстве излучатель будет работать или в большом помещении.
20кГц - это оптимальная частота для нас. 25 высоковато, ниже 20 уже сильно слышно.
50W генерируется в излучателе. Очень хочется, чтобы большая часть ее все же излучалась. В плане диаграммы направленности, интересует как вариант узконаправленный (градусы), так и более широкий (десятки градусов).

Поясните, пожалуйста, получилось у вас решить свою задачу и как?

[Corner]

Излучатель делается как раз таки из материала с максимальным соотношением упругости к собственной плотности. В хороших излучателях используют сплавы бериллия. Но они дороги и опасны для жизни. Для случаев попроще используют сплавы аналогичные используемым в авиации.
Расчет сводится к вычислению оптимальных размеров пластины - посредника. Как раз ее Вы доблестно оторвали от пьезоэлемента. Чем больше мощность, тем шире нужна пластина. Но чем она шире, тем большую жесткость требуется обеспечить, чтобы края пластины не прогибались больше, чем на половину длины волны (тогда они полностью перестают работать). Собственно, задачка решается в пределах почти школьного курса физики. Только для ее решения требуется знать точные параметры пьезоэлемента.

[rudy_b]

Обычно, для передачи энергии воздуху используется жесткий тонкий конус из легкого металла - посмотрите конструкцию высокочастотного динамика. Там как раз решается именно ваша задача.

В ваших маленьких излучателях (советский аналог - МУП-1) обычно используется бинарный пьез (изгибные колебания) для получения большего перемещения (по сравнению со стандартным - толщинные колебания) + конус.

Конус выполняет две функции - согласование импеданса излучателя и воздуха + формирование достаточно узкой диаграммы направленности (порядка 30*), т.е. максимально плоской волны.

Излучатель обычно крепится на тонкостенном резиновом кольце соответствующего диаметра, приклеенном в зоне минимальных колебаний излучателя. Так было на старых хороших излучателях. Потом стали халявить и лепить как попало.

Когда мы работали с подобным излучателем на высоких импульсных мощностях (ультразвуковой локатор) конус, со временем, растрескивался и рассыпался, но сам пьез работал нормально.

[Corner]

Обычно, для передачи энергии воздуху используется жесткий тонкий конус из легкого металла - посмотрите конструкцию высокочастотного динамика. Там как раз решается именно ваша задача.

В мощном излучателе на первой картинке используется сплошная пластина - посредник вместо конуса. Ускорение большое и конус перекашивает. Обычно, пластину еще подтачивают по краям для облегчения, так как чем ближе к краю, тем напряжение изгиба меньше и такая толщина не нужна.
Собственно сам излучатель отсутствует. Есть только пластина, которая приклеена к тору из пьезокерамики с электродами по торцам, и противовес с обратной стороны.

Сообщение отредактировал Corner - Aug 2 2016, 13:40

[v.s.]

имеется следующие вопросы касательно эксплуатации УЗ приемников и передатчиков:
1)устойчивость к агрессивным условиям, а именно, вибрации (ориентировочно, 1-2 g, частота до 22-30 гц), растворы солей;
2)температурный дрейф частоты резонанса, ее изменение со временем работы;
3) продолжительность беспрерывной работы;
интересуют конкретные модели мощностью порядка 0,5-1вт, частота в диапазоне 40-65 КГц.
Задача - измерение расстояний порядка 1-2 метров. так же интересуют вопросы проектирования излучателей и антенн (хорошо бы конкретный пример расчета)...

Сообщение отредактировал v.s. - Aug 2 2016, 17:13

[Corner]

имеется следующие вопросы касательно эксплуатации УЗ приемников и передатчиков:
1)устойчивость к агрессивным условиям, а именно, вибрации (ориентировочно, 1-2 g, частота до 22-30 гц), растворы солей;
2)температурный дрейф частоты резонанса, ее изменение со временем работы;
3) продолжительность беспрерывной работы;
интересуют конкретные модели мощностью порядка 0,5-1вт, частота в диапазоне 40-65 КГц.
Задача - измерение расстояний порядка 1-2 метров. так же интересуют вопросы проектирования излучателей и антенн (хорошо бы конкретный пример расчета)...

Если посчитать ускорение в пьезоэлементе, то 2 g становится не актуально.
Все остальные параметры ведает лишь производитель керамики, например http://www.elpapiezo.ru/elements.html. У них есть буклеты с параметрами материалов. Для большой мощности используются жесткие материалы.
Излучатель и антенна для звука это одно и тоже. Только для хороших приемников используется немного другой материал.


Сообщение отредактировал Corner - Aug 2 2016, 19:10

[sinc_func]

Кайно Акустические волны

В этой книге дается определение акустического импеданса.
А далее само преобразование импеданса я бы попробовал делать в каком-то конечно-элементном решателе типа FebLab-a

[Энтомолог]

Расчет сводится к вычислению оптимальных размеров пластины - посредника. Как раз ее Вы доблестно оторвали от пьезоэлемента. Чем больше мощность, тем шире нужна пластина. Но чем она шире, тем большую жесткость требуется обеспечить, чтобы края пластины не прогибались больше, чем на половину длины волны (тогда они полностью перестают работать). Собственно, задачка решается в пределах почти школьного курса физики. Только для ее решения требуется знать точные параметры пьезоэлемента.

Пластину я не отрывал, он продавался без пластины. Подскажете пожалуйста, где купить с пластиной или отдельно пластину? Или хотя бы пришлите сслылку на любой подобный излучатель с пластиной. Все, что я видел в магазине Кварц продается без пластин.

Поясните, пожалуйста, получилось у вас решить свою задачу и как?

Не получилось пока, используем матрицу маленьких излучателей.

[HardEgor]

Максимальная мощность передаваемая из керамики в воздух будет при соблюдении двух условий:
- импеданс материала согласующей пластины равен корню произведения импедансов согласуемых сред(воздуха и керамики) Zc = SQRT(Zp*Za)
- толщина согласующей пластины должна быть равна четверти излучаемой длины волны в пластине.
Ищите такой материал и пилите из него пластину.
Кстати, для ЦТС-19 и воздуха идеальным получается..... пробковое дерево, но подозреваю, оно не выдержит ваших мощностей.

[Guest_TSerg_*]

Кстати, для ЦТС-19 и воздуха идеальным получается..... пробковое дерево, но подозреваю, оно не выдержит ваших мощностей.

Слои пенополиуретана (FOAM) с разной плотностью.

[Энтомолог]

Кстати, для ЦТС-19 и воздуха идеальным получается..... пробковое дерево, но подозреваю, оно не выдержит ваших мощностей.

Почему ЦТС-19 ? У излучателя на картинке излучающая поверхность металлическая.

[HardEgor]

Почему ЦТС-19 ? У излучателя на картинке излучающая поверхность металлическая.

Потому что я считал для ЦТС-19.
Металлическая поверхность - скорее всего это тонкий слой напыленного металла(обычно серебра) являющийся обкладкой пьезокристалла, она влияния почти не оказывает, поэтому в расчетах не участвует.

[Энтомолог]

Потому что я считал для ЦТС-19.
Металлическая поверхность - скорее всего это тонкий слой напыленного металла(обычно серебра) являющийся обкладкой пьезокристалла, она влияния почти не оказывает, поэтому в расчетах не участвует.

Излучатель на фото в начале темы, в первом посте.

https://electronix.ru/forum/index.php?act=a...st&id=88713

[Guest_TSerg_*]

Излучатель на фото в начале темы, в первом посте.

Не бывает металлических пьезоизлучателей.

[HardEgor]

Излучатель на фото в начале темы, в первом посте.

Просто фото ни о чем не скажет, надо знать конструкцию. Я вижу корпус, выводы и какое-то соединение под болт. Если бы я держал его в руках, тогда еще что-то мог бы сказать, а по фото....
Там какая-то этикетка на корпусе, возможно по ней можно что-то найти.

[Энтомолог]

Просто фото ни о чем не скажет, надо знать конструкцию. Я вижу корпус, выводы и какое-то соединение под болт. Если бы я держал его в руках, тогда еще что-то мог бы сказать, а по фото....
Там какая-то этикетка на корпусе, возможно по ней можно что-то найти.

А что вы хотите найти?

Не бывает металлических пьезоизлучателей.

Излучатель пьезоэлектрический, естественно. На фото прекрасно видно пластину зажатую между излучателем и противовесом-отражателем. Излучатель металлический, пьезоэлемент с ним уже, видимо, согласован. Излучатель разбирать, конечно же, не предполагается, поэтому стоит задача согласования металлической поверхности излучателя (то, на чем лежит монетка) с воздухом.

Вкратце, как оно работает сейсас. Проект пока в архиве, документации перед глазами нет, пишу по памяти, поэтому возможны мелкие неточности, но суть такая:

Имеется четырехмостовой бестрансформаторный инвертор, который согласуется с пьезоэлементом жирной LC цепочкой. На выводах пьезоэлемента получается красивый синус 20 КГц, более 100 В p-t-p. Потребляет эта вся конструкция 3А от 12 В, ключи холодные, LC слегка греется, но не более 2-3 Вт там рассеивается, основная мощность доставляется по адресу. Специально не раскачиваем до 50Вт, но 25 Вт там точно есть. При длительной работе излучатель нагревается, т.к. ультразвук никуда не излучается и нагревает болванку. Если приложить руку, то руку греет, вода бурлит, т.е. ультразвук там есть, но в воздух он не излучается.

Если приложить излучаетль к металлической пластине или просто к поверхности стола, то возникает жуткий скрежет. Пластину приходится прикручвать очень плотно, чтобы она не дребезжала. В связи с этим главный вопрос: как прикрепить согласующий слой, чтобы его не оторвало нафиг?

Я ценю любой ответ, но впервую очередь хотелось бы услышать мнение тех, для кого подобные излучатели не являются диковинкой.

[Guest_TSerg_*]

Скорее всего, Энтомолог, с непонятными желаниями - является тут диковинкой.

[Энтомолог]

Скорее всего, Энтомолог, с непонятными желаниями - является тут диковинкой.

Если вам не понятна тема, просьба проходить мимо, не флудить.

[Guest_TSerg_*]

Если вам не понятна тема, просьба проходить мимо, не флудить.

Наоборот, все понятно

[Энтомолог]

Наоборот, все понятно

В любом случае спасибо вам, что своими постами вы хотя бы поднимаете тему. Возможно, ее заметят умные люди и смогут помочь. Вам же я советую вернуться к своим любимым темам про велосипеды и к глумлению над продавцами Эльдорадо, на фоне которых вам удается почувствовать себя немного умным.

[HardEgor]

А что вы хотите найти?
Излучатель пьезоэлектрический, естественно. На фото прекрасно видно пластину зажатую между излучателем и противовесом-отражателем. Излучатель металлический, пьезоэлемент с ним уже, видимо, согласован.

Ну и ладно.

.... поэтому стоит задача согласования металлической поверхности излучателя (то, на чем лежит монетка) с воздухом.

Так условие согласования описаны, осталось найти волновое сопротивление материала на котором лежит монетка. В чем вопрос-то?
Чем клеить - обычно эпоксидной смолой. Есть и более экзотические способы.

[serebr]

К сожалению, полной информацией делиться не могу. Тем не менее:
1. Излучать >80% подводимой мощности в воздух с помощью ультразвуковых трансдюсеров вполне реально (первое фото на первой странице). У нас есть куча фактических наработок, know-how и действующих приборов, но это является коммерческой тайной, равно как и область их применения.
2. Настоятельно рекомендую использовать средства индивидуальной защиты от высокой мощности звука в воздухе. Не забывать, что интенсивность звука в воздухе равная 120 дБ это всего 1 Вт/м2.
3. Кроме того, значительно более опасным является прямой механический контакт тела человека (руки, например) с излучающей поверхностью трансдюсера (есть литература и нормы по этому поводу). В этом случае звук через ткань и кости попадает на внутреннее ухо минуя двойное преобразование трансдюсер-воздух-ухо.

[Guest_TSerg_*]

значительно более опасным является

Как-то приводил здесь пример одного гения-самородка, которому довольно быстро наиграли Шопена.
Занимался он передачей электроэнергии по "одному" проводу.
И все-то у него получалось, пока зажигал только лампочки.
Однако, захотелось ему киловатты передавать и все - сжег свой мозг.