РЕФЕРАТ
Акустичні прилади
2009
1. Звуковипромінювач
А) Гучномовці
а) Мембрани. За Г. Бухману особливо доцільно застосовувати паперові мембрани, причому вибір матеріалу для них дозволяє впливати на жорсткість і внутрішнє загасання мембран. При прямих утворюють і великих амплітудах коливань виникає небезпека порушення унтертонов, що з'являються внаслідок згинальних коливань. Можна уникнути їх появи, надаючи мембрані форму неразвертивагощейся поверхні ". Практика показала, що найкраща форма мембрани виходить при параболічної утворює її конуса, якщо при цьому кривизна максимальна в середині і знижується до країв. Це дозволяє зробити весь гучномовець більш плоским. Його частотна характеристика постійна , в області високих частот вона не виявляє ніякого зростання, а спрямованість стає менш різкою.
Іноді з метою економії місця замість круглих застосовуються мембрани еліптичної форми.
Для більш точного відтворення перехідних процесів рекомендується вводити додаткове загасання на краях мембрани, наприклад, за допомогою фетру, а ще краще - наклеюючи еластичний шар зі штучного пластику. Якщо цим матеріалом покрити всю поверхню мембрани, то загасання поширюється і на високі частоти. Того ж ефекту можна домогтися, якщо заклеїти отвори монтажного конуса гучномовця пористим матеріалом.
Більш сильне загасання, як відомо, досягається і при збільшенні індукції магнітного поля в зазорі дифузора. Для ослаблення занадто сильного резонансу на низьких частотах можна застосовувати також пористі центрирующие мембрани з відповідним повітряним опором.
б) Направлене дію і розширення частотного спектру. Для отримання рівномірного розподілу звуку при високих частотах на сердечник електромагніта жорстко насаджують концентрично окремий звукораспределяющій конус. Щоб з одного установкою можна було отримувати випромінювання в області частот від 30 до 15000 гц, В. Бюрк запропонував застосовувати додатковий конус для відтворення високих тонів; він робиться з паперового волокнистого речовини, має дуже невелику вагу і зміцнюється в середині конусної мембрани.
Верхня межа звичайних гучномовців лежить при частотах від 5 до 8 кгц; для високоякісних передач частот до 15000 гц передбачають додаткові гучномовці спеціально для високих тонів. Робота цих приладів може бути заснована на електродинамічному, електростатичному або п'єзоелектричному принципах. Звуконаправленность таких випромінювачів в більшості випадків сильно виражена, як це випливає з відношення довжини повні до розмірів випромінювача. Тому у своєму розпорядженні кілька випромінювачів під різними кутами або ж поверхня випромінювача роблять опуклою.
Електростатичні випромінювачі з твердим діелектриком неодноразово описувалися. Коливається мембраною служить полістироловий плівка товщиною близько 10 ліг, покрита тонким шаром срібла або алюмінію. Поверхня другого електрода обробляється піскоструминним апаратом, або дружина ній наносяться концентричні борозенки. Перевагою таких пристроїв є можливість легко пристосовувати їх форму та розміри до будь-яких обставин.
в) Застосування групи з декількох гучномовців. Для отримання так званого об'ємного звучання Харц і Кестерс запропонували користуватися групами з декількох гучномовців, що виправдало себе. Кілька гучномовців розташовуються на поверхнях особливої багатогранної підставки і випромінюють у всіх напрямках коливання з частотами вище 400 Гц. Коливання з меншими частотами випромінюються особливим низькочастотним динаміком, розташованим горизонтально, так що його коливання також поширюються але усіх напрямках.
У радіомовлення обмежуються кількома гучномовцями, що випромінюють вперед і в сторони. При монтажі гучномовців в закритих футлярах необхідно приймати до уваги об'ємні резонансні явища. У даному випадку їх усувають застосуванням звукопоглинаючих матеріалів. Необхідно робити стінки футлярів можливо товщі, виносити гучномовці по можливості вперед і забезпечувати максимальну звукопроникність матерії, що закриває дифузори.
При радіомовленні у великих приміщеннях або на відкритому просторі кілька гучномовців встановлюють але прямої лінії і отримують направлене випромінювання. Чим нижче частоти, тим довше повинна бути лінія розташування гучномовців. Направлене випромінювання, одержуване таким прийомом, схематично показано на рис. Сильне випромінювання має місце в площині, перпендикулярної до площини розташування гучномовців, у двох інших площинах воно значно слабкіше. Небажане випромінювання у зворотний бік, що виникає іноді, можна зменшити за Калуші, поміщаючи за системою гучномовців затримують пристрої з матеріалів з достатнім акустичним опором.
г) Пристрій дек для гучномовців. Гучномовці на деках слід встановлювати асиметрично. Для грудні вибирається такий матеріал, який слабо резонує, як, наприклад, клеєна фанера завтовшки понад 1 см. Розміри деки повинні визначатися самими низькими частотами випромінювання.
д) рупорні гучномовці. Гучномовці з рупором, перетин якого розширюється за експоненціальним законом, працюють, як відомо, з коефіцієнтом корисної дії більш високим, ніж при конічному рупорі.
Довжину і перетин рупора слід вибирати, беручи до уваги нижню граничну частоту. При частоті 50 гц радіус рупора слід брати близько 1 м, а довжину близько 4 ле. Якщо застосовується складчастий рупор по Ольсон, то можна обходитися меншим обсягом.
Б) Термічні випромінювачі звуку
У якості нормального випромінювача звуку виявився придатним термофон. Його звуковий тиск можна відносно просто розрахувати. Якщо пропускати змінний синусоїдальний струм через термофон, то він почне звучати з частотою, вдвічі більшої частоти струму. Щоб усунути це явище, необхідно одночасно пропускати через термофон постійний струм, сила якого більше сили змінного струму. За даними Бекеш для термофона можна користуватися квадратичної характеристикою, якщо через нього пропускати два високочастотних струму з близькими частотами; виникають при цьому биття звуковий частоти мають досить великі амплітуди. Цим методом користуються, якщо необхідно отримувати повільні синусоїдальні коливання тиску. У термофоне застосовуються смужки золотою або платинової фольги товщиною від 0,01 до 1 мк, площею від 5 до 10 см 2 або волластоновскіе нитки товщиною 0,05-1 мк.
Для отримання коливань з частотою вище 1000 Гц можна користуватися співаючої електричною дугою. У повітрі цим методом досягаються частоти до 2 мггц. Внаслідок малих розмірів джерела звуку має місце широке ненаправленої випромінювання. У іонофоне нагріте електричним струмом розпечений штифт випускає електрони, які прискорюються за допомогою високої напруги, утворюючи в повітрі іони. Якщо на прискорює напруга накладають змінну напругу, то при цьому утворюються відповідні звукові хвилі.
В) звукові лінзи
За Коку та Херрі звукові коливання, особливо ультразвукові, можна збирати або розсіювати лінзами особливого виду. Лінза складається з жерстяних пластин круглої форми, встановлених під кутом до фронту звукової хвилі. Внаслідок того, що хвилі змушені поширюватися обхідним шляхом I, створюється різниця ходу. Якщо відстань між пластинами
. то
де I 0 - товщина лінзи ні - коефіцієнт заломлення лінзи.
а) Свистки як випромінювачі. Для випромінювання звуку з частотами до 40 кгц в повітрі вживають свисток Гальтона. Ще більш високочастотні звуки, до 120 кгц, можна отримати за допомогою газового генератора Гартмана з більш високим коефіцієнтом корисної дії. При роботі з воднем досягають частот в 500 кГц. З цим генератором ЕРМ і Ханеман з'єднували мембрани і опромінювали таким шляхом рідини звуковим полем з потужністю 1 Вт / см 2.
Яновський і Польман описують рідинний свисток, він складається з форсунки і укріпленої поблизу неї металевої пластинки з гострим краєм, на який падає струмінь рідини, що викидається форсункою. При правильному виборі швидкості струменя і відстані до гострого краю пластинки виникають потужні резонансні коливання останньої. Левавассер і Гавро описують свисток для ультразвукових коливань у повітрі, який складається з кільцевого леза і відповідної циліндричної порожнини.
б) Сирени. Для досягнення великих потужностей звуку в повітрі можна застосовувати ультразвукові сирени, які працюють з великим коефіцієнтом корисної дії. У залежності від швидкості обертання можна отримати частоти від 1 до 200 кгц. Такі прилади застосовують для коагуляції зважених часток у повітрі.
в) Отримання ультразвукових коливань в рідинах. Для отримання ультразвуку в рідинах застосовують переважно магнітострикційні і п'єзоелектричні звукові генератори. Для перших генераторів користуються стрижнями або трубками з нікелю або сплавів заліза з нікелем. Для того щоб уникнути втрат на вихрові струми, трубки або стрижні розрізаються. За даними Пірса для цих цілей підходить інвар, а також монель. Коефіцієнти коливань, зумовлені виразом дорівнюють: для загартованого нікелю 252 400, м'якого нікелю 235 300; інвару 209 500, монель 210 800, цекаса 234 900. Неферомагнітному речовини можна також застосовувати як вібратора, якщо їх покрити тонким шаром магнитострикционного матеріалу. Нечутливі до температури вібратори можна виготовити, насаживая корпус з матеріалу з температурним коефіцієнтом одного знака на сердечник з температурним коефіцієнтом протилежного знака. При цьому зменшують також втрати на вихрові струми прийомом, аналогічним тому, який має місце в трансформаторах, де вводяться між сталевими листами шари ізоляції. Листи укладають у пакети, в яких роблять поздовжні прорізи для намагничивающей обмотки. Область частот такого вібратора лежить між 20H 200 кгц. Звук випромінюється перпендикулярно до кінцевих площинах;
спрямованість випромінювання буде тим гостріше, чим більше лінійні розміри випромінюючої поверхні але порівняно з довжиною хвилі. Дуже гостро направлене випромінювання можна отримати, поєднуючи кілька випромінювачів у групи. Вводячи елементи, що змінюють різниця ходу між, окремими хвилями, можна змінювати в бажаному напрямку характеристику спрямованості випромінювання. Крім того, надаючи випромінюючої поверхні певну форму, можна заглушати бічні максимуми діаграми спрямованості. Якщо бажано отримати рівномірне випромінювання на всі боки, можна з успіхом застосовувати круглий вібратор.
Для порушення звукових хвиль в рідини коливний стрижень закріплюють у вузлах стоячій хвилі і змушують його порушувати коливання в рідині. Для випадків, коли неможливо ввести вібратор всередину рідини, Тід запропонував застосовувати проміжний вібратор у вигляді поршня, який виготовляють із пружного матеріалу н закріплюють наконце пакету вібраторів. Кінець цього поршня вводять в рідину або в розплавлене речовина. Вібратор і поршень можна охолоджувати циркулюючої рідиною. Порушення звукових хвиль у кислотах, лугах, гарячих рідинах і розплавлених речовинах можливо при температурах до 700 ° С.
Для того щоб змусити вібратор коливатися на основній частоті, його необхідно подмагнічівать за допомогою постійного струму, в іншому випадку він коливається з подвійною частотою. Щоб зменшити підмагнічування, застосовують метали з високою залишковою індукцією; Камп застосовував сплав 2-Р-пермендур; можна також встановити поблизу постійний магніт.
Д) П'єзоелектричний випромінювач
П'єзоелектричний ефект був виявлений у кварці, турмалін, сегнетової солі, фосфаті амонію, сульфат літію та ін, ці речовини знайшли практичне застосування. Пластинки, які застосовуються як вібраторів, вирізаються з монокристалів у певному напрямку. Наприклад, кварцові платівки вирізаються у площині. Сегнетова сіль внаслідок її недостатньої механічної міцності краще підходить для приймачів ультразвуку. Вона зберігає свою міцність лише при вологості від 40 до 85%, а при температурі понад 55 ° С розкладається. Сегнетова сіль приблизно в 10 рдз чутливіші, ніж фосфат амонію і в 150 разів чутливіші кварцу. Фосфат амонію витримує нагрівання до 100 ° С та вологість від 0 до 93%.
Коротке зведення властивостей п'єзоелектричних перетворювачів нещодавно опублікував Добелл.
При введенні вібраторів в рідину їх згасання значно Зростає; в цьому випадку вібратори можна застосовувати також на частотах, відмінних від резонансних. Застосовуючи кварцові платівки, користуються їх поперечними коливаннями в області більш високих частот і поздовжніми - в області низьких частот. Для отримання великих потужностей при поздовжніх коливаннях Ланжевен склеював разом кілька кварцових платівок, укладав їх між двома сталевими пластинками і збуджував всю систему. Наклеювання кварцу па метал та інші операції треба робити дуже обережно. Особливу увагу слід звертати на усунення повітряних бульбашок. Добре підходить для цих цілей клей коезан.
При порушенні основних поперечних коливань кварцові платівки можна застосовувати тільки до частоти приблизно 50 мггц; при великих частотах застосовуються пластинки стають занадто тонкими. Більш високі частоти отримують шляхом порушення у пластинках гармонік високих порядків.
Для фокусування випромінюваного звуку поверхні пластинок можна відшліфувати у формі увігнутого дзеркала. Для безперервної роботи в широкій області частот роблять вібратор клиноподібної форми. Таким прийомом можна отримувати частоти в області від 1,4 до 5 мггц. Левін Філіп досягали цього, наклеюючи кварцову пластинку на клиноподібну латунну пластинку.
Закріплення кварцу вимагає особливої обережності. Для подачі змінної напруги в більшості випадків обидві поверхні пластинки роблять матовими, потім їх покривають металевими шарами, які проводять струм. Останні можна отримати, отлагая шари срібла або золота як хімічним шляхом, так і випаровуванням в порожнечі або катодним розпиленням. Кварцові платівки зазвичай кладуться на міцну, рівну металеву підкладку, яка з'єднується провідником з генератором напруги. Для такої підкладки особливо підходящим внаслідок своєї пластичності виявився свинець. Інші метали менш задовільні, тому що в пластинках кварцу при великих амплітудах коливань і твердій основі спостерігалося поява тріщин. Підводити напруга до металізованої поверхні кварцу можна за допомогою металевого кільця, яке притискається до неї пружиною. Прямокутні пластинки можна закріплювати також за допомогою пружини, укріпленої з одного боку. Іншим видом закріплення служать рамки розмірів трохи більших, ніж платівка, і три-чотири гвинти, які злегка натискають на кварц. Кінці гвинтів не повинні бути твердими, інакше кварц при сильному натиску може тріснути. Зручно також на бічних поверхнях кварцу зробити канавку, в яку входив би трохи загострений гвинт. Зручні також кварцові платівки, краї яких, симетрично сошлифовать на кут, входять в поглиблення металевих затискачів. Бец-Барда запропонував кріплення, яке дає можливість дещо змінювати напрямок випромінювання. Кварц з його металевою підкладкою еластично притискається концентричним гвинтом до рами такого ж розміру, через яку підводиться напруга. Весь пристрій кріпиться на пластині, яку можна повертати.
Вільні кріплення без підкладок вносять, звичайно, менше загасання. Для усунення зворотного відбиття звуку рекомендується ввести між вібратором і підкладкою тонкий шар масла, яке має бути вільна від бульбашок. Вібратор, що працює на поздовжніх коливаннях, затискають двома гвинтами в його вузлових площинах. За даними Грюццмахера звукова енергія, випроменена вгору, збільшується приблизно в чотири рази, якщо нижня сторона кварцової пластинки межує з повітрям. На цій поверхні виходить повне відображення, і відбиті звукові хвилі проходять вгору через платівку в такій фазі, що підсилюють випромінювання, що посилається на рідину. Подібний ефект можна отримати, якщо між підкладкою і кварцом ввести шар масла товщиною, рівній чверті довжини звукової хвилі в маслі. Для такої оптимальної установки сконструйовані пристосування, за допомогою яких до кварцовою платівці, що знаходиться в масляній ванні, можна наближати поршень з поверхнею, паралельної кварцу, причому відстань між обома поверхнями можна регулювати.
Для отримання ультразвукових хвиль в електропровідних рідинах можна привести в зіткнення з рідиною тільки випромінюючі поверхні - через отвір в резервуарі або, опустивши в рідину кварц в кожусі, що має відповідне вікно. Можна також скористатися випромінюванням кварцу в масло і ввести досліджувану рідину в скляному посуді в масляну ванну. При великій потужності випромінювання рекомендується занурювати кварц в трансформаторне масло і т.п. щоб уникнути поверхневого пробою між електродами на кварці. Користуючись кварцом, підводиться до нього змінну напругу треба вводити поступово, щоб спочатку видалити наявні між електродами газові бульбашки. Якщо під час процесу дегазації, внаслідок занадто високої напруги, виникають іскри, то кварц руйнується; так як при тривалій роботі на великій потужності виділяється значна кількість тепла, то слід передбачити охолодження випромінювача, наприклад, за допомогою безперервного охолодження стінок посудини.
Акустичні прилади
2009
1. Звуковипромінювач
А) Гучномовці
а) Мембрани. За Г. Бухману особливо доцільно застосовувати паперові мембрани, причому вибір матеріалу для них дозволяє впливати на жорсткість і внутрішнє загасання мембран. При прямих утворюють і великих амплітудах коливань виникає небезпека порушення унтертонов, що з'являються внаслідок згинальних коливань. Можна уникнути їх появи, надаючи мембрані форму неразвертивагощейся поверхні ". Практика показала, що найкраща форма мембрани виходить при параболічної утворює її конуса, якщо при цьому кривизна максимальна в середині і знижується до країв. Це дозволяє зробити весь гучномовець більш плоским. Його частотна характеристика постійна , в області високих частот вона не виявляє ніякого зростання, а спрямованість стає менш різкою.
Іноді з метою економії місця замість круглих застосовуються мембрани еліптичної форми.
Для більш точного відтворення перехідних процесів рекомендується вводити додаткове загасання на краях мембрани, наприклад, за допомогою фетру, а ще краще - наклеюючи еластичний шар зі штучного пластику. Якщо цим матеріалом покрити всю поверхню мембрани, то загасання поширюється і на високі частоти. Того ж ефекту можна домогтися, якщо заклеїти отвори монтажного конуса гучномовця пористим матеріалом.
Більш сильне загасання, як відомо, досягається і при збільшенні індукції магнітного поля в зазорі дифузора. Для ослаблення занадто сильного резонансу на низьких частотах можна застосовувати також пористі центрирующие мембрани з відповідним повітряним опором.
б) Направлене дію і розширення частотного спектру. Для отримання рівномірного розподілу звуку при високих частотах на сердечник електромагніта жорстко насаджують концентрично окремий звукораспределяющій конус. Щоб з одного установкою можна було отримувати випромінювання в області частот від 30 до 15000 гц, В. Бюрк запропонував застосовувати додатковий конус для відтворення високих тонів; він робиться з паперового волокнистого речовини, має дуже невелику вагу і зміцнюється в середині конусної мембрани.
Верхня межа звичайних гучномовців лежить при частотах від 5 до 8 кгц; для високоякісних передач частот до 15000 гц передбачають додаткові гучномовці спеціально для високих тонів. Робота цих приладів може бути заснована на електродинамічному, електростатичному або п'єзоелектричному принципах. Звуконаправленность таких випромінювачів в більшості випадків сильно виражена, як це випливає з відношення довжини повні до розмірів випромінювача. Тому у своєму розпорядженні кілька випромінювачів під різними кутами або ж поверхня випромінювача роблять опуклою.
Електростатичні випромінювачі з твердим діелектриком неодноразово описувалися. Коливається мембраною служить полістироловий плівка товщиною близько 10 ліг, покрита тонким шаром срібла або алюмінію. Поверхня другого електрода обробляється піскоструминним апаратом, або дружина ній наносяться концентричні борозенки. Перевагою таких пристроїв є можливість легко пристосовувати їх форму та розміри до будь-яких обставин.
в) Застосування групи з декількох гучномовців. Для отримання так званого об'ємного звучання Харц і Кестерс запропонували користуватися групами з декількох гучномовців, що виправдало себе. Кілька гучномовців розташовуються на поверхнях особливої багатогранної підставки і випромінюють у всіх напрямках коливання з частотами вище 400 Гц. Коливання з меншими частотами випромінюються особливим низькочастотним динаміком, розташованим горизонтально, так що його коливання також поширюються але усіх напрямках.
У радіомовлення обмежуються кількома гучномовцями, що випромінюють вперед і в сторони. При монтажі гучномовців в закритих футлярах необхідно приймати до уваги об'ємні резонансні явища. У даному випадку їх усувають застосуванням звукопоглинаючих матеріалів. Необхідно робити стінки футлярів можливо товщі, виносити гучномовці по можливості вперед і забезпечувати максимальну звукопроникність матерії, що закриває дифузори.
При радіомовленні у великих приміщеннях або на відкритому просторі кілька гучномовців встановлюють але прямої лінії і отримують направлене випромінювання. Чим нижче частоти, тим довше повинна бути лінія розташування гучномовців. Направлене випромінювання, одержуване таким прийомом, схематично показано на рис. Сильне випромінювання має місце в площині, перпендикулярної до площини розташування гучномовців, у двох інших площинах воно значно слабкіше. Небажане випромінювання у зворотний бік, що виникає іноді, можна зменшити за Калуші, поміщаючи за системою гучномовців затримують пристрої з матеріалів з достатнім акустичним опором.
г) Пристрій дек для гучномовців. Гучномовці на деках слід встановлювати асиметрично. Для грудні вибирається такий матеріал, який слабо резонує, як, наприклад, клеєна фанера завтовшки понад 1 см. Розміри деки повинні визначатися самими низькими частотами випромінювання.
д) рупорні гучномовці. Гучномовці з рупором, перетин якого розширюється за експоненціальним законом, працюють, як відомо, з коефіцієнтом корисної дії більш високим, ніж при конічному рупорі.
Довжину і перетин рупора слід вибирати, беручи до уваги нижню граничну частоту. При частоті 50 гц радіус рупора слід брати близько 1 м, а довжину близько 4 ле. Якщо застосовується складчастий рупор по Ольсон, то можна обходитися меншим обсягом.
Б) Термічні випромінювачі звуку
У якості нормального випромінювача звуку виявився придатним термофон. Його звуковий тиск можна відносно просто розрахувати. Якщо пропускати змінний синусоїдальний струм через термофон, то він почне звучати з частотою, вдвічі більшої частоти струму. Щоб усунути це явище, необхідно одночасно пропускати через термофон постійний струм, сила якого більше сили змінного струму. За даними Бекеш для термофона можна користуватися квадратичної характеристикою, якщо через нього пропускати два високочастотних струму з близькими частотами; виникають при цьому биття звуковий частоти мають досить великі амплітуди. Цим методом користуються, якщо необхідно отримувати повільні синусоїдальні коливання тиску. У термофоне застосовуються смужки золотою або платинової фольги товщиною від 0,01 до 1 мк, площею від 5 до 10 см 2 або волластоновскіе нитки товщиною 0,05-1 мк.
Для отримання коливань з частотою вище 1000 Гц можна користуватися співаючої електричною дугою. У повітрі цим методом досягаються частоти до 2 мггц. Внаслідок малих розмірів джерела звуку має місце широке ненаправленої випромінювання. У іонофоне нагріте електричним струмом розпечений штифт випускає електрони, які прискорюються за допомогою високої напруги, утворюючи в повітрі іони. Якщо на прискорює напруга накладають змінну напругу, то при цьому утворюються відповідні звукові хвилі.
В) звукові лінзи
За Коку та Херрі звукові коливання, особливо ультразвукові, можна збирати або розсіювати лінзами особливого виду. Лінза складається з жерстяних пластин круглої форми, встановлених під кутом до фронту звукової хвилі. Внаслідок того, що хвилі змушені поширюватися обхідним шляхом I, створюється різниця ходу. Якщо відстань між пластинами
де I 0 - товщина лінзи ні - коефіцієнт заломлення лінзи.
а) Свистки як випромінювачі. Для випромінювання звуку з частотами до 40 кгц в повітрі вживають свисток Гальтона. Ще більш високочастотні звуки, до 120 кгц, можна отримати за допомогою газового генератора Гартмана з більш високим коефіцієнтом корисної дії. При роботі з воднем досягають частот в 500 кГц. З цим генератором ЕРМ і Ханеман з'єднували мембрани і опромінювали таким шляхом рідини звуковим полем з потужністю 1 Вт / см 2.
Яновський і Польман описують рідинний свисток, він складається з форсунки і укріпленої поблизу неї металевої пластинки з гострим краєм, на який падає струмінь рідини, що викидається форсункою. При правильному виборі швидкості струменя і відстані до гострого краю пластинки виникають потужні резонансні коливання останньої. Левавассер і Гавро описують свисток для ультразвукових коливань у повітрі, який складається з кільцевого леза і відповідної циліндричної порожнини.
б) Сирени. Для досягнення великих потужностей звуку в повітрі можна застосовувати ультразвукові сирени, які працюють з великим коефіцієнтом корисної дії. У залежності від швидкості обертання можна отримати частоти від 1 до 200 кгц. Такі прилади застосовують для коагуляції зважених часток у повітрі.
в) Отримання ультразвукових коливань в рідинах. Для отримання ультразвуку в рідинах застосовують переважно магнітострикційні і п'єзоелектричні звукові генератори. Для перших генераторів користуються стрижнями або трубками з нікелю або сплавів заліза з нікелем. Для того щоб уникнути втрат на вихрові струми, трубки або стрижні розрізаються. За даними Пірса для цих цілей підходить інвар, а також монель. Коефіцієнти коливань, зумовлені виразом дорівнюють: для загартованого нікелю 252 400, м'якого нікелю 235 300; інвару 209 500, монель 210 800, цекаса 234 900. Неферомагнітному речовини можна також застосовувати як вібратора, якщо їх покрити тонким шаром магнитострикционного матеріалу. Нечутливі до температури вібратори можна виготовити, насаживая корпус з матеріалу з температурним коефіцієнтом одного знака на сердечник з температурним коефіцієнтом протилежного знака. При цьому зменшують також втрати на вихрові струми прийомом, аналогічним тому, який має місце в трансформаторах, де вводяться між сталевими листами шари ізоляції. Листи укладають у пакети, в яких роблять поздовжні прорізи для намагничивающей обмотки. Область частот такого вібратора лежить між 20H 200 кгц. Звук випромінюється перпендикулярно до кінцевих площинах;
спрямованість випромінювання буде тим гостріше, чим більше лінійні розміри випромінюючої поверхні але порівняно з довжиною хвилі. Дуже гостро направлене випромінювання можна отримати, поєднуючи кілька випромінювачів у групи. Вводячи елементи, що змінюють різниця ходу між, окремими хвилями, можна змінювати в бажаному напрямку характеристику спрямованості випромінювання. Крім того, надаючи випромінюючої поверхні певну форму, можна заглушати бічні максимуми діаграми спрямованості. Якщо бажано отримати рівномірне випромінювання на всі боки, можна з успіхом застосовувати круглий вібратор.
Для порушення звукових хвиль в рідини коливний стрижень закріплюють у вузлах стоячій хвилі і змушують його порушувати коливання в рідині. Для випадків, коли неможливо ввести вібратор всередину рідини, Тід запропонував застосовувати проміжний вібратор у вигляді поршня, який виготовляють із пружного матеріалу н закріплюють наконце пакету вібраторів. Кінець цього поршня вводять в рідину або в розплавлене речовина. Вібратор і поршень можна охолоджувати циркулюючої рідиною. Порушення звукових хвиль у кислотах, лугах, гарячих рідинах і розплавлених речовинах можливо при температурах до 700 ° С.
Для того щоб змусити вібратор коливатися на основній частоті, його необхідно подмагнічівать за допомогою постійного струму, в іншому випадку він коливається з подвійною частотою. Щоб зменшити підмагнічування, застосовують метали з високою залишковою індукцією; Камп застосовував сплав 2-Р-пермендур; можна також встановити поблизу постійний магніт.
Д) П'єзоелектричний випромінювач
П'єзоелектричний ефект був виявлений у кварці, турмалін, сегнетової солі, фосфаті амонію, сульфат літію та ін, ці речовини знайшли практичне застосування. Пластинки, які застосовуються як вібраторів, вирізаються з монокристалів у певному напрямку. Наприклад, кварцові платівки вирізаються у площині. Сегнетова сіль внаслідок її недостатньої механічної міцності краще підходить для приймачів ультразвуку. Вона зберігає свою міцність лише при вологості від 40 до 85%, а при температурі понад 55 ° С розкладається. Сегнетова сіль приблизно в 10 рдз чутливіші, ніж фосфат амонію і в 150 разів чутливіші кварцу. Фосфат амонію витримує нагрівання до 100 ° С та вологість від 0 до 93%.
Коротке зведення властивостей п'єзоелектричних перетворювачів нещодавно опублікував Добелл.
При введенні вібраторів в рідину їх згасання значно Зростає; в цьому випадку вібратори можна застосовувати також на частотах, відмінних від резонансних. Застосовуючи кварцові платівки, користуються їх поперечними коливаннями в області більш високих частот і поздовжніми - в області низьких частот. Для отримання великих потужностей при поздовжніх коливаннях Ланжевен склеював разом кілька кварцових платівок, укладав їх між двома сталевими пластинками і збуджував всю систему. Наклеювання кварцу па метал та інші операції треба робити дуже обережно. Особливу увагу слід звертати на усунення повітряних бульбашок. Добре підходить для цих цілей клей коезан.
При порушенні основних поперечних коливань кварцові платівки можна застосовувати тільки до частоти приблизно 50 мггц; при великих частотах застосовуються пластинки стають занадто тонкими. Більш високі частоти отримують шляхом порушення у пластинках гармонік високих порядків.
Для фокусування випромінюваного звуку поверхні пластинок можна відшліфувати у формі увігнутого дзеркала. Для безперервної роботи в широкій області частот роблять вібратор клиноподібної форми. Таким прийомом можна отримувати частоти в області від 1,4 до 5 мггц. Левін Філіп досягали цього, наклеюючи кварцову пластинку на клиноподібну латунну пластинку.
Закріплення кварцу вимагає особливої обережності. Для подачі змінної напруги в більшості випадків обидві поверхні пластинки роблять матовими, потім їх покривають металевими шарами, які проводять струм. Останні можна отримати, отлагая шари срібла або золота як хімічним шляхом, так і випаровуванням в порожнечі або катодним розпиленням. Кварцові платівки зазвичай кладуться на міцну, рівну металеву підкладку, яка з'єднується провідником з генератором напруги. Для такої підкладки особливо підходящим внаслідок своєї пластичності виявився свинець. Інші метали менш задовільні, тому що в пластинках кварцу при великих амплітудах коливань і твердій основі спостерігалося поява тріщин. Підводити напруга до металізованої поверхні кварцу можна за допомогою металевого кільця, яке притискається до неї пружиною. Прямокутні пластинки можна закріплювати також за допомогою пружини, укріпленої з одного боку. Іншим видом закріплення служать рамки розмірів трохи більших, ніж платівка, і три-чотири гвинти, які злегка натискають на кварц. Кінці гвинтів не повинні бути твердими, інакше кварц при сильному натиску може тріснути. Зручно також на бічних поверхнях кварцу зробити канавку, в яку входив би трохи загострений гвинт. Зручні також кварцові платівки, краї яких, симетрично сошлифовать на кут, входять в поглиблення металевих затискачів. Бец-Барда запропонував кріплення, яке дає можливість дещо змінювати напрямок випромінювання. Кварц з його металевою підкладкою еластично притискається концентричним гвинтом до рами такого ж розміру, через яку підводиться напруга. Весь пристрій кріпиться на пластині, яку можна повертати.
Вільні кріплення без підкладок вносять, звичайно, менше загасання. Для усунення зворотного відбиття звуку рекомендується ввести між вібратором і підкладкою тонкий шар масла, яке має бути вільна від бульбашок. Вібратор, що працює на поздовжніх коливаннях, затискають двома гвинтами в його вузлових площинах. За даними Грюццмахера звукова енергія, випроменена вгору, збільшується приблизно в чотири рази, якщо нижня сторона кварцової пластинки межує з повітрям. На цій поверхні виходить повне відображення, і відбиті звукові хвилі проходять вгору через платівку в такій фазі, що підсилюють випромінювання, що посилається на рідину. Подібний ефект можна отримати, якщо між підкладкою і кварцом ввести шар масла товщиною, рівній чверті довжини звукової хвилі в маслі. Для такої оптимальної установки сконструйовані пристосування, за допомогою яких до кварцовою платівці, що знаходиться в масляній ванні, можна наближати поршень з поверхнею, паралельної кварцу, причому відстань між обома поверхнями можна регулювати.
Для отримання ультразвукових хвиль в електропровідних рідинах можна привести в зіткнення з рідиною тільки випромінюючі поверхні - через отвір в резервуарі або, опустивши в рідину кварц в кожусі, що має відповідне вікно. Можна також скористатися випромінюванням кварцу в масло і ввести досліджувану рідину в скляному посуді в масляну ванну. При великій потужності випромінювання рекомендується занурювати кварц в трансформаторне масло і т.п. щоб уникнути поверхневого пробою між електродами на кварці. Користуючись кварцом, підводиться до нього змінну напругу треба вводити поступово, щоб спочатку видалити наявні між електродами газові бульбашки. Якщо під час процесу дегазації, внаслідок занадто високої напруги, виникають іскри, то кварц руйнується; так як при тривалій роботі на великій потужності виділяється значна кількість тепла, то слід передбачити охолодження випромінювача, наприклад, за допомогою безперервного охолодження стінок посудини.
Е) Електродинамічні вібратори
Генератори ультразвукових коливань, які працюють за електродинамічному принципом, описані Гавро і Міан. Вібратори, що працюють в резонансі, полягають у цьому випадку з циліндричних суцільних тіл, що випромінює поверхня яких має необхідну форму, зокрема, наприклад, для фокусування - форму увігнутого дзеркала.
Ж) Вібратори Зі штучних матеріалів
Останнім часом поряд з природними кристалами застосовують і синтетичні. Перш за все знаходить застосування титанат барію. Змінюючи склад, можна отримати зразки титанату барію, що мають при кімнатних температурах значно менші температурні коефіцієнти. Напрямок п'єзоелектричної осі таких вібраторів не залежить від величини і форми вібратора і визначається напрямом поляризующего поля.
3) Пістонфон
Для дослідження та калібрування низькочастотних приймачів необхідні джерела звуку, які дозволяють повільно змінювати тиск. Особливо підходящим для цієї мети є пістонфон. Його рухлива система приєднана до генератора низької частоти. При дуже низьких частотах необхідно ретельно стежити за герметичністю камери, в якій змінюється тиск. Це можна здійснити за допомогою чутливого манометра. Амплітуду коливного поршня можна вимірювати за допомогою мікроскопа.
І) Електродинамічні вібраційні столи
Для дослідження коливань застосовують вібраційні столи, що діють у більшості випадків за принципом динамічного гучномовця. При цьому дифузор замінюється легкої пластиною, на яку поміщаються відчувають предмети. Мюе описує подібний стіл, амплітуда коливань якого вимірюється наступним чином. До кришки столу жорстко кріпиться сердечник з м'якого заліза, який може переміщатися в котушці. Котушка включена в мостову схему. Мірою амплітуди коливань є коефіцієнт модуляції.
Подібно вібраційним столів працюють механічні генератори коливань. Вони дають можливість отримувати вібрації з частотами до 15000 гц.
Більш потужні коливання низьких частот отримують, користуючись мотором з приводом і ексцентриком, як це показано на рис. Вібраційний стіл в цій установці робить синусоїдальні коливання у вертикальному напрямі з частотами від 0,1 до 20 гц.
2. Приймачі звуку
А) Мікрофони
а) Конденсаторні мікрофони. Для перетворення коливань звуку у відповідні змінні електричні напруги застосовується велика кількість мікрофонів різних типів, які але принципу дії можна підрозділити на електростатичні, електродинамічні і п'єзоелектричні. Як вимірювальні прилади до останнього часу найчастіше застосовуються конденсаторні мікрофони, оскільки при відносно простої конструкції вони відрізняються сталістю показань, велику чутливість і точною передачею частот і різної амплітуди. Мембрана конденсаторного мікрофона виготовляється найчастіше з алюмінієвої фольга, попередньо підданої штучному старінню; мембрана сильно натягується, щоб її власна частота була високою. На відстані декількох мікрон від неї знаходиться протилежний електрод, завдяки чому система виявляється сильно демпфірованним. Для підвищення еластичності другий електрод забезпечується отворами, прорізами тощо Мікрофони такого тина виготовляються як приймачі тиску, приймачі швидкості, а також як комбіновані приймачі тиску і швидкості. Як приймач тиску мікрофон має при низьких частотах у всіх напрямках рівномірну чутливість. При високих частотах велика чутливість має місце в нормальному напрямку - від звуку, що утворюється спереду. Якщо за допомогою приймача тиску треба забезпечити ненаправлений прийом також і при високих частотах, то вибирають мікрофон дуже малого розміру.
б) Направлене дію. Як приймач градієнта тиску мікрофон має діаграму спрямованості у формі цифри, тобто характеристику, що складається з двох сфер, які стикаються в площині мембрани. Він застосовується для прийому мови, а також для прийому гри оркестру, тому що при цьому виконавці розміщуються в обох областях високої чутливості. У цьому приймачі не спостерігається залежності частоти від кута, як це має місце в приймачах тиску. Нечутливістю мікрофона в площині мембрани користуються для того, щоб уникнути перешкод, що поширюються поблизу цієї площини. При роботі в одному приміщенні з гучномовцем площину мембрани розташовують у напрямку на гучномовець і завдяки цьому уникають акустичного зворотного зв'язку.
Інший вид приймача цього типу має так званої квадратичної характеристикою, тобто мікрофон володіє підвищеною чутливістю спереду і з бічних сторін, ззаду ж звук приймається значно гірше. Цей мікрофон зручний для виключення перешкод, що приходять ззаду, для прийому звуку по певному, напрямку і для роботи в одному приміщенні з гучномовцями.
в) Схема включення. Конденсаторні мікрофони найбільш широко застосовуються у так званих низькочастотних схеми, в яких на мікрофон подається напруга близько 100 в через опір в кілька десятків МОм. З навантажувального опору знімаються змінні напруги, зумовлені звуковими хвилями. Для досягнення якісної передачі незалежно від частоти це опір повинен бути великим але порівняно з імпедансом мікрофона. За допомогою негативного зворотного зв'язку за рахунок опору в катодного ланцюга лампи підсилювача, наступного за мікрофоном, виходить розширення смуги частот у напрямку нижнього регістра.
У початковій схемі мікрофон включався у високочастотний коливальний контур, який мав слабкий зв'язок з генератором. Частота контуру вибиралася такий, щоб робоча точка лежала в середині бічної частини резонансної кривої. При прийомі мікрофоном розмовної мови контур засмучувався, внаслідок чого частотна модуляція перетворювалася на амплітудну. Цей метод може служити для виміру повільних коливань тиску аж до нульової частоти. Про одну схемою такого типу, яка відрізняється низьким рівнем шуму, повідомляє Заальберг фон Зельст.
Конденсаторний мікрофон і перша підсилювальна лампа розташовуються якнайближче і для зниження рівня фону екрануються загальним екраном. Підводка від першого підсилювача до другого, звичайно довжиною 1 м, також екранується. Екранування і правильне узгодження виходу лампи з лінією, для чого необхідний трансформатор з опором близько 200 ом, мають велике значення. Доцільно заземлити середню точку обмотки трансформатора.
Б) Електродинамічні мікрофони
Електродинамічні мікрофони через їх незначного внутрішнього опору можна безпосередньо підключати до першої підсилювальної лампі за допомогою довгого екранованого проводу. Звичайно в корпус мікрофона вмонтований трансформатор, який узгодить мале опір котушки мікрофона з опором екранованої лінії. Для отримання гладкої частотної характеристики за мембраною мікрофона робиться кілька демпфуючих порожнин з різними власними частотами, які з'єднуються один з одним каналами. Цей мікрофон має характеристику спрямованості, подібну характеристиці конденсаторного мікрофона тиску. Вирівняну частотну характеристику, має також стрічковий мікрофон, який працює як приймач швидкості. На кінцях вільно підвішеною між полюсами сильною магніту і налаштованою на низьку частоту алюмінієвої смужки при прийомі звуку з'являються змінні напруги, які за допомогою трансформатора підводяться до опору в 200 ом. Для цього мікрофона форма діаграми спрямованості не залежить від частоти. Прийом у площині смужок практично неможливий.
В) Кристалічні мікрофони
а) П'єзоелектричні мікрофони для прийому звукових хвиль у повітрі в смузі частот чутних звуків найчастіше виготовляються з кристалів сегнетової солі. З кристалів вирізують смужки, які працюють на вигин. Дві такі нари смужок, розділені дистанційної прокладкою, утворюють подвійну звукову клітинку. Ємність такого мікрофона дорівнює приблизно 1000 пф, так що його можна підключати довгим екранованим проводом ж високоомного входу підсилювача. Мікрофон такого твань, особливо ховаю виправдав себе, запропонував Ф. Маса: кристалічний мікрофон з елементом з фосфату амонію невеликого розміру, діаметром 3 мм, був з'єднаний з вимірником звукового тиску і дозволяв проводити вимірювання в області частот від 50 Гц до 250 Гц. Не так давно стали застосовуватися титанати барію. Ці матеріали стійкіші проти дії температури і вологості, ніж сегнетова сіль.
б) Направлене дію. У випадках, коли прийом бажано здійснювати лише за одним напрямом, можна вжити таких заходів: мікрофон треба помістити у фокус увігнутого дзеркала, тоді для всіх звуків, довжина хвиль яких мала в порівнянні з розмірами увігнутого дзеркала, буде мати місце спрямовану дію. Для вимірювання так званого спрямованого розсіяння в обсягах при частоті близько 2000 гц Р. Тіле використовував параболічне дзеркало діаметром 1,2 м. Для тієї ж мети мікрофон можна підключати до експоненціального рупор. Була запропонована ще одна чудова установка, що складається з великого числа паралельних, відкритих спереду трубок різної довжини, які встановлюються перед мікрофоном. Внаслідок інтерференції вони гасять звукові хвилі, що падають з боку;
Г) Робота на відкритому повітрі
Конденсаторні і стрічкові мікрофони дуже чутливі до низькочастотних коливань тиску, які викликаються вітром, а також до виникаючих при вітрі завихрень на корпусі. Тому при роботі на відкритому повітрі ці мікрофони необхідно захищати. Для цього роблять кулястий каркас і обтягують його звукопроникний матеріалом, наприклад шовком і т.п.; цим можна вберегти мікрофон від дії вітру. Однак цей спосіб захисту при великих швидкостях вітру не завжди ефективний. У таких випадках доцільно помістити мікрофон у маленький куля-зонд, який обережно наповнюється повітрям і зав'язується поверх підвідного кабелю.
Д) Дослідження звукового поля
Для вимірювання звукового тиску застосовується диск Релея. Тут наведено деякі рекомендації Беранек щодо ваги і розмірів диска, корисні при їх виготовленні; з покривного скла: 0,05 г, радіус 0,63 см, товщина 0,016 см, зі слюди: 0,006 г, радіус 0,497 см, товщина 0,003 см; з міді: радіус 0,581 см, товщина 0,02 см; з алюмінію: радіус 0,5 см, товщина 0,0004 див. Шайба підвішується на скляних або кварцових нитках, іноді на дротах з фосфористої бронзи.
Е) Вимірювання інтенсивності ультразвуку
Дуже простий мірою потужності ультразвукових коливань може бути висота фонтанів рідини, що з'являються над її поверхнею при роботі ультразвукових генераторів. Для вимірювання звукового тиску, пропорційного квадрату їх амплітуди, служить звуковий радіометр. У простій формі він складається з легкої шайби, підвішеною до крутильним ваг. В одному з приладів, що працює за цим принципом, па кінці коромисла ваг встановлена шайба, а на її поверхні розташовано дуже велике число маленьких конусів, за допомогою яких вдається уникнути направленого відбиття і освіти стоячих хвиль. Рух шайби під дією звукових хвиль передається вказівником, який переміщується по шкалі, каліброваної в см 2. Прилад наповнюється водою і через неї наводиться в зіткнення з вібратором, потужність якого вимірюється. Баумгарт запропонував вимірювач тиску, який у якості обертається поверхні має наповнений повітрям усічений конус. Звукові хвилі, що падають у напрямі вершини конуса, відбиваються і поглинаються стінками кожуха. Підходящим поглиначем є скляна вата. X. Оберст і П. Рікман розробили метод вимірювання звукового тиску, при якому вібратор випромінює звук в напрямку донизу, у ванну з водою. Звук падає на поплавець з порожнистої конічною поверхнею, що відбиває звук; завдяки цьому поплавець автоматично центрується па шляху звукових променів. У нижній його частині на стерженька укріплена шкала, опущена у важку рідину, яка охороняє поплавець від занурення під воду. Якщо звук падає на поплавок зверху, то він опускається глибше, причому глибина занурення попередньо таріруется; для цього на поплавець кладуть послідовно різні гирки. Для запобігання від циркуляційних потоків між вібратором і відбивачем встановлюється похило звукопроникний алюмінієва фольга.
У випадку, коли ультразвук модулюється частотою мережі змінного струму, його можна чути за допомогою відповідного стетоскопа.
Ж) Теплові дії ультразвуку
Для виявлення зміни ультразвуку можна також з успіхом використовувати його теплові дії і термоелемент. Платинова дріт товщиною в декілька мікрон і довжиною від 15 до 20 мм попередньо слабо нагрівається в схемі містка Уїтстона. Її присутність в поле звуку не порушує поширення хвиль. Для вимірювання потужності є апарат, в якому маленьке увігнуте дзеркало концентрує падаюче на нього звук у своєму фокусі; в цій точці встановлюються спаї декількох термопар. Груцмахер використовував тепловий ефект в одному пристрої. Один кінець довгого, зігнутого під прямим кутом скляного стрижня він ввів у звукове поле. На іншому кінці цього стрижня був укріплений скляну кулю, внутрішня порожнина якого під дією ультразвуку нагрівалася; це показував манометр, приєднаний до кулі. Ліндштрем показав, що для вимірювання потужності звуку можна користуватися звичайним термометром, вносячи його ртутну кульку в звукове поле.
Для демонстраційних дослідів можна користуватися чутливим полум'ям. Тиск газу має дорівнювати приблизно 8 м 2 ·. Куприк сопла повинен мати діаметр близько 4 мм, але на відстані 2 мм від кінця він повинен конически звужуватися до 1,6 мм. Дія ультразвуку на біологічні об'єкти див.
3) Ультразвукові зонди
Для кількісних вимірів кращим приладом є п'єзоелектричний приймач, навіть у порівнянні з конденсаторними мікрофонами; особливо придатні п'єзоелектричні прилади з твердим діелектриком, їх чутливість простягається до частот 100 кгц. За даними Кеді, змінюючи відстані між електродом і поверхнею кварцу, можна в невеликих межах налаштовувати кварц на хвилю генератора звуку. Кристали як приймачі можна зробити дуже маленькими, в цьому випадку - вони викликають лише незначне спотворення звукового поля. У більшості випадків доцільно кристал монтувати разом з першою лампою в одному екранованому футлярі.
Прості та ефективні ультразвукові зонди сконструював Коннельман. Як показано на рис., Вони складаються зі шматка шланга, через який протягнута дріт, що лише трохи одним кінцем занурюється в рідину. На іншому її кінці закріплений п'єзокристал, який перетворює одержувані дротом звукові коливання в коливання електричної напруги. Такий же зонд може працювати з нікелевою дротом, в ньому змінне напруга виходить в котушці. Щоб отримати приймач градієнта тиску, застосовують дві дроту в одному шлангу.
І) Ультразвуковий інтерферометр
Бергман побудував інтерферометр з швидким відліком показу-пий, скориставшись особливим методом. У цьому приладі, рефлектор швидко переміщається на задану відстань, а число РСП · = 'ходять нрп цьому максимумів коливань відраховується електронної декадної лічильної лампою. До такого способу необхідно вдаватися в тих випадках, коли за швидкістю поширення роблять висновку про зміни в середовищі, при хімічних реакціях, при швидкій зміні температури і т. п.
К) Поглинання ультразвуку
Заслуговують на увагу пристрої, які називаються резонансними поглиначами, які застосовуються для поглинання звуку в воді. Вони містять в собі повітряні порожнини, службовці поглинаючими резонаторами. Для цього між шаром гладкою гуми товщиною 4 мм і товстої залізної пластиною міцно зміцнюється прокладка з циліндричними порожнинами діаметрами від 5 до 2 мм. Коефіцієнт поглинання в інтервалі частот від 9 до 18 кгц дорівнює 99%.
Для облицювання стін басейнів, для акустичних досліджень застосовуються широкосмугові поглиначі з еластичних пористих матеріалів. Йорам надають загострену форму, нім досягається плавний перехід від акустичного опору води до акустичного опору облицювального шару.
3. Інфразвук
А) Приймачі інфразвуку
Дуже повільне зміна тиску можна виявити і виміряти за допомогою конденсаторного мікрофона. Для цього необхідно лише стежити за тим, щоб повітря, що знаходиться в об'ємі між мембраною і протилежним електродом, не поєднувався із зовнішнім повітрям або з'єднувався з ним только.через дуже вузький капіляр. Щоб можпо було вести вимірювання до нульової частоти, застосовують схему з несучою частотою. Для спостереження повільних коливань типу струсів необхідний приймач коливань, що поширюються у твердих тілах, який зазвичай працює але електродинамічному принципом. З успіхом використовуються також П'єзоелектричні кристали, розмір яких може бути дуже низькою. Так, В. Холі описує одну запропоновану X. Оберсту систему, в корпус якої вправлений кристал фосфату амонію, налаштований на 7,5 KBif і працює на вигин.
Сучасні вимірювачі прискорення з елементами з титанату барію були описані Брюель.
Для реєстрації повільних коливань, наприклад деталей машин, придатні тензометричні датчики. Провід або стрічка з великим опором наклеюється, як показано на малюнку, на паперову смужку або фольгу з штучного матеріалу. При деформації смужки, всією площиною приклеєною до місця, де ведеться вимір, відбувається зміна опору дроту. Датчик включається до мостикову схему, яка працює на несучій частоті.
Б) Калібрування приймачів
Для полегшення калібрування електромеханічних перетворювачів застосовується наступний метод: на вібраційному столі поруч з випробуваним перетворювачем поміщається дуже маленький контрольний датчик, зворотним впливом якого на стіл, дуже малим, можна знехтувати. Сигналами з контрольного датчика після посилення користуються для керування силовою установкою, що приводить в рух вібраційний стіл. Цим забезпечується сталість амплітуди коливань столу в широкому діапазоні частот. Можна, отже, при безперервній зміні частоти безпосередньо реєструвати постійну передачі.
4. Приміщення, вільні від луни
Якщо у вільному звуковому полі виробляються точні дослідження, при яких потрібно отримати постійне звуковий тиск або зняти діаграму спрямованості, то необхідно мати приміщення зі стінами можливо більш сильно поглинаючими звук. Для цієї мети виявилося доцільним підвісити перпендикулярно до стін на невеликій відстані один від одного ватяні смуги, а між ними і стіною прокласти ще шар вати. З міркувань пожежної безпеки вата повинна бути вогнестійкої. У приміщенні натягується сітка для ходіння, так як стать також повинен бути звукопоглинальним. Доцільно також туго натягнути сітку із сталевого дроту, на яку можна встановити вимірювальні прилади. Більш ефективними, ніж ватяні смуги, виявляються конуси з звукопоглинальних матеріалів, кут конусності яких вибирається так, щоб падаючі звукові хвилі на протилежній стороні конуса знову відбивалися; поступово при багаторазовому відбитті з большіші втратами хвилі приглушуються. Так як поглинання на поверхні особливо ефективно тільки при високих частотах, тс * позаду конусів встановлюють додатково резонатори, що гасять звук низьких частот; таким шляхом досягається рівномірне; поглинання у всій області чутності.
5. Аудіометр
Визначення порога чутності на різних частотах для спостерігача і досліджуваного суб'єкта пов'язано з рядом труднощів. Для їх усунення Бекеш розробив апарат, що дозволяє досліджуваного суб'єкту перевіряти самого себе. Інтенсивність звучання тонів він регулює кнопкою. Частота тонів повільно змінюється, і спостерігач весь час знаходиться на кордоні чутності і нечутності. Побудований за цим принципом прилад описаний Кайзером. Мраз і Дістель винайшли аудіометр нового типу, в якому сила звуку регулюється не механічним перемикачем логарифмічного ступеневої потенціометра, а за допомогою електронної схеми. Це сильно спрощує звернення C приладом і усуває потріскування при перемиканні.
Генератори ультразвукових коливань, які працюють за електродинамічному принципом, описані Гавро і Міан. Вібратори, що працюють в резонансі, полягають у цьому випадку з циліндричних суцільних тіл, що випромінює поверхня яких має необхідну форму, зокрема, наприклад, для фокусування - форму увігнутого дзеркала.
Ж) Вібратори Зі штучних матеріалів
Останнім часом поряд з природними кристалами застосовують і синтетичні. Перш за все знаходить застосування титанат барію. Змінюючи склад, можна отримати зразки титанату барію, що мають при кімнатних температурах значно менші температурні коефіцієнти. Напрямок п'єзоелектричної осі таких вібраторів не залежить від величини і форми вібратора і визначається напрямом поляризующего поля.
3) Пістонфон
Для дослідження та калібрування низькочастотних приймачів необхідні джерела звуку, які дозволяють повільно змінювати тиск. Особливо підходящим для цієї мети є пістонфон. Його рухлива система приєднана до генератора низької частоти. При дуже низьких частотах необхідно ретельно стежити за герметичністю камери, в якій змінюється тиск. Це можна здійснити за допомогою чутливого манометра. Амплітуду коливного поршня можна вимірювати за допомогою мікроскопа.
І) Електродинамічні вібраційні столи
Для дослідження коливань застосовують вібраційні столи, що діють у більшості випадків за принципом динамічного гучномовця. При цьому дифузор замінюється легкої пластиною, на яку поміщаються відчувають предмети. Мюе описує подібний стіл, амплітуда коливань якого вимірюється наступним чином. До кришки столу жорстко кріпиться сердечник з м'якого заліза, який може переміщатися в котушці. Котушка включена в мостову схему. Мірою амплітуди коливань є коефіцієнт модуляції.
Подібно вібраційним столів працюють механічні генератори коливань. Вони дають можливість отримувати вібрації з частотами до 15000 гц.
Більш потужні коливання низьких частот отримують, користуючись мотором з приводом і ексцентриком, як це показано на рис. Вібраційний стіл в цій установці робить синусоїдальні коливання у вертикальному напрямі з частотами від 0,1 до 20 гц.
2. Приймачі звуку
А) Мікрофони
а) Конденсаторні мікрофони. Для перетворення коливань звуку у відповідні змінні електричні напруги застосовується велика кількість мікрофонів різних типів, які але принципу дії можна підрозділити на електростатичні, електродинамічні і п'єзоелектричні. Як вимірювальні прилади до останнього часу найчастіше застосовуються конденсаторні мікрофони, оскільки при відносно простої конструкції вони відрізняються сталістю показань, велику чутливість і точною передачею частот і різної амплітуди. Мембрана конденсаторного мікрофона виготовляється найчастіше з алюмінієвої фольга, попередньо підданої штучному старінню; мембрана сильно натягується, щоб її власна частота була високою. На відстані декількох мікрон від неї знаходиться протилежний електрод, завдяки чому система виявляється сильно демпфірованним. Для підвищення еластичності другий електрод забезпечується отворами, прорізами тощо Мікрофони такого тина виготовляються як приймачі тиску, приймачі швидкості, а також як комбіновані приймачі тиску і швидкості. Як приймач тиску мікрофон має при низьких частотах у всіх напрямках рівномірну чутливість. При високих частотах велика чутливість має місце в нормальному напрямку - від звуку, що утворюється спереду. Якщо за допомогою приймача тиску треба забезпечити ненаправлений прийом також і при високих частотах, то вибирають мікрофон дуже малого розміру.
б) Направлене дію. Як приймач градієнта тиску мікрофон має діаграму спрямованості у формі цифри, тобто характеристику, що складається з двох сфер, які стикаються в площині мембрани. Він застосовується для прийому мови, а також для прийому гри оркестру, тому що при цьому виконавці розміщуються в обох областях високої чутливості. У цьому приймачі не спостерігається залежності частоти від кута, як це має місце в приймачах тиску. Нечутливістю мікрофона в площині мембрани користуються для того, щоб уникнути перешкод, що поширюються поблизу цієї площини. При роботі в одному приміщенні з гучномовцем площину мембрани розташовують у напрямку на гучномовець і завдяки цьому уникають акустичного зворотного зв'язку.
Інший вид приймача цього типу має так званої квадратичної характеристикою, тобто мікрофон володіє підвищеною чутливістю спереду і з бічних сторін, ззаду ж звук приймається значно гірше. Цей мікрофон зручний для виключення перешкод, що приходять ззаду, для прийому звуку по певному, напрямку і для роботи в одному приміщенні з гучномовцями.
в) Схема включення. Конденсаторні мікрофони найбільш широко застосовуються у так званих низькочастотних схеми, в яких на мікрофон подається напруга близько 100 в через опір в кілька десятків МОм. З навантажувального опору знімаються змінні напруги, зумовлені звуковими хвилями. Для досягнення якісної передачі незалежно від частоти це опір повинен бути великим але порівняно з імпедансом мікрофона. За допомогою негативного зворотного зв'язку за рахунок опору в катодного ланцюга лампи підсилювача, наступного за мікрофоном, виходить розширення смуги частот у напрямку нижнього регістра.
У початковій схемі мікрофон включався у високочастотний коливальний контур, який мав слабкий зв'язок з генератором. Частота контуру вибиралася такий, щоб робоча точка лежала в середині бічної частини резонансної кривої. При прийомі мікрофоном розмовної мови контур засмучувався, внаслідок чого частотна модуляція перетворювалася на амплітудну. Цей метод може служити для виміру повільних коливань тиску аж до нульової частоти. Про одну схемою такого типу, яка відрізняється низьким рівнем шуму, повідомляє Заальберг фон Зельст.
Конденсаторний мікрофон і перша підсилювальна лампа розташовуються якнайближче і для зниження рівня фону екрануються загальним екраном. Підводка від першого підсилювача до другого, звичайно довжиною 1 м, також екранується. Екранування і правильне узгодження виходу лампи з лінією, для чого необхідний трансформатор з опором близько 200 ом, мають велике значення. Доцільно заземлити середню точку обмотки трансформатора.
Б) Електродинамічні мікрофони
Електродинамічні мікрофони через їх незначного внутрішнього опору можна безпосередньо підключати до першої підсилювальної лампі за допомогою довгого екранованого проводу. Звичайно в корпус мікрофона вмонтований трансформатор, який узгодить мале опір котушки мікрофона з опором екранованої лінії. Для отримання гладкої частотної характеристики за мембраною мікрофона робиться кілька демпфуючих порожнин з різними власними частотами, які з'єднуються один з одним каналами. Цей мікрофон має характеристику спрямованості, подібну характеристиці конденсаторного мікрофона тиску. Вирівняну частотну характеристику, має також стрічковий мікрофон, який працює як приймач швидкості. На кінцях вільно підвішеною між полюсами сильною магніту і налаштованою на низьку частоту алюмінієвої смужки при прийомі звуку з'являються змінні напруги, які за допомогою трансформатора підводяться до опору в 200 ом. Для цього мікрофона форма діаграми спрямованості не залежить від частоти. Прийом у площині смужок практично неможливий.
В) Кристалічні мікрофони
а) П'єзоелектричні мікрофони для прийому звукових хвиль у повітрі в смузі частот чутних звуків найчастіше виготовляються з кристалів сегнетової солі. З кристалів вирізують смужки, які працюють на вигин. Дві такі нари смужок, розділені дистанційної прокладкою, утворюють подвійну звукову клітинку. Ємність такого мікрофона дорівнює приблизно 1000 пф, так що його можна підключати довгим екранованим проводом ж високоомного входу підсилювача. Мікрофон такого твань, особливо ховаю виправдав себе, запропонував Ф. Маса: кристалічний мікрофон з елементом з фосфату амонію невеликого розміру, діаметром 3 мм, був з'єднаний з вимірником звукового тиску і дозволяв проводити вимірювання в області частот від 50 Гц до 250 Гц. Не так давно стали застосовуватися титанати барію. Ці матеріали стійкіші проти дії температури і вологості, ніж сегнетова сіль.
б) Направлене дію. У випадках, коли прийом бажано здійснювати лише за одним напрямом, можна вжити таких заходів: мікрофон треба помістити у фокус увігнутого дзеркала, тоді для всіх звуків, довжина хвиль яких мала в порівнянні з розмірами увігнутого дзеркала, буде мати місце спрямовану дію. Для вимірювання так званого спрямованого розсіяння в обсягах при частоті близько 2000 гц Р. Тіле використовував параболічне дзеркало діаметром 1,2 м. Для тієї ж мети мікрофон можна підключати до експоненціального рупор. Була запропонована ще одна чудова установка, що складається з великого числа паралельних, відкритих спереду трубок різної довжини, які встановлюються перед мікрофоном. Внаслідок інтерференції вони гасять звукові хвилі, що падають з боку;
Г) Робота на відкритому повітрі
Конденсаторні і стрічкові мікрофони дуже чутливі до низькочастотних коливань тиску, які викликаються вітром, а також до виникаючих при вітрі завихрень на корпусі. Тому при роботі на відкритому повітрі ці мікрофони необхідно захищати. Для цього роблять кулястий каркас і обтягують його звукопроникний матеріалом, наприклад шовком і т.п.; цим можна вберегти мікрофон від дії вітру. Однак цей спосіб захисту при великих швидкостях вітру не завжди ефективний. У таких випадках доцільно помістити мікрофон у маленький куля-зонд, який обережно наповнюється повітрям і зав'язується поверх підвідного кабелю.
Д) Дослідження звукового поля
Для вимірювання звукового тиску застосовується диск Релея. Тут наведено деякі рекомендації Беранек щодо ваги і розмірів диска, корисні при їх виготовленні; з покривного скла: 0,05 г, радіус 0,63 см, товщина 0,016 см, зі слюди: 0,006 г, радіус 0,497 см, товщина 0,003 см; з міді: радіус 0,581 см, товщина 0,02 см; з алюмінію: радіус 0,5 см, товщина 0,0004 див. Шайба підвішується на скляних або кварцових нитках, іноді на дротах з фосфористої бронзи.
Е) Вимірювання інтенсивності ультразвуку
Дуже простий мірою потужності ультразвукових коливань може бути висота фонтанів рідини, що з'являються над її поверхнею при роботі ультразвукових генераторів. Для вимірювання звукового тиску, пропорційного квадрату їх амплітуди, служить звуковий радіометр. У простій формі він складається з легкої шайби, підвішеною до крутильним ваг. В одному з приладів, що працює за цим принципом, па кінці коромисла ваг встановлена шайба, а на її поверхні розташовано дуже велике число маленьких конусів, за допомогою яких вдається уникнути направленого відбиття і освіти стоячих хвиль. Рух шайби під дією звукових хвиль передається вказівником, який переміщується по шкалі, каліброваної в см 2. Прилад наповнюється водою і через неї наводиться в зіткнення з вібратором, потужність якого вимірюється. Баумгарт запропонував вимірювач тиску, який у якості обертається поверхні має наповнений повітрям усічений конус. Звукові хвилі, що падають у напрямі вершини конуса, відбиваються і поглинаються стінками кожуха. Підходящим поглиначем є скляна вата. X. Оберст і П. Рікман розробили метод вимірювання звукового тиску, при якому вібратор випромінює звук в напрямку донизу, у ванну з водою. Звук падає на поплавець з порожнистої конічною поверхнею, що відбиває звук; завдяки цьому поплавець автоматично центрується па шляху звукових променів. У нижній його частині на стерженька укріплена шкала, опущена у важку рідину, яка охороняє поплавець від занурення під воду. Якщо звук падає на поплавок зверху, то він опускається глибше, причому глибина занурення попередньо таріруется; для цього на поплавець кладуть послідовно різні гирки. Для запобігання від циркуляційних потоків між вібратором і відбивачем встановлюється похило звукопроникний алюмінієва фольга.
У випадку, коли ультразвук модулюється частотою мережі змінного струму, його можна чути за допомогою відповідного стетоскопа.
Ж) Теплові дії ультразвуку
Для виявлення зміни ультразвуку можна також з успіхом використовувати його теплові дії і термоелемент. Платинова дріт товщиною в декілька мікрон і довжиною від 15 до 20 мм попередньо слабо нагрівається в схемі містка Уїтстона. Її присутність в поле звуку не порушує поширення хвиль. Для вимірювання потужності є апарат, в якому маленьке увігнуте дзеркало концентрує падаюче на нього звук у своєму фокусі; в цій точці встановлюються спаї декількох термопар. Груцмахер використовував тепловий ефект в одному пристрої. Один кінець довгого, зігнутого під прямим кутом скляного стрижня він ввів у звукове поле. На іншому кінці цього стрижня був укріплений скляну кулю, внутрішня порожнина якого під дією ультразвуку нагрівалася; це показував манометр, приєднаний до кулі. Ліндштрем показав, що для вимірювання потужності звуку можна користуватися звичайним термометром, вносячи його ртутну кульку в звукове поле.
Для демонстраційних дослідів можна користуватися чутливим полум'ям. Тиск газу має дорівнювати приблизно 8 м 2 ·. Куприк сопла повинен мати діаметр близько 4 мм, але на відстані 2 мм від кінця він повинен конически звужуватися до 1,6 мм. Дія ультразвуку на біологічні об'єкти див.
3) Ультразвукові зонди
Для кількісних вимірів кращим приладом є п'єзоелектричний приймач, навіть у порівнянні з конденсаторними мікрофонами; особливо придатні п'єзоелектричні прилади з твердим діелектриком, їх чутливість простягається до частот 100 кгц. За даними Кеді, змінюючи відстані між електродом і поверхнею кварцу, можна в невеликих межах налаштовувати кварц на хвилю генератора звуку. Кристали як приймачі можна зробити дуже маленькими, в цьому випадку - вони викликають лише незначне спотворення звукового поля. У більшості випадків доцільно кристал монтувати разом з першою лампою в одному екранованому футлярі.
Прості та ефективні ультразвукові зонди сконструював Коннельман. Як показано на рис., Вони складаються зі шматка шланга, через який протягнута дріт, що лише трохи одним кінцем занурюється в рідину. На іншому її кінці закріплений п'єзокристал, який перетворює одержувані дротом звукові коливання в коливання електричної напруги. Такий же зонд може працювати з нікелевою дротом, в ньому змінне напруга виходить в котушці. Щоб отримати приймач градієнта тиску, застосовують дві дроту в одному шлангу.
І) Ультразвуковий інтерферометр
Бергман побудував інтерферометр з швидким відліком показу-пий, скориставшись особливим методом. У цьому приладі, рефлектор швидко переміщається на задану відстань, а число РСП · = 'ходять нрп цьому максимумів коливань відраховується електронної декадної лічильної лампою. До такого способу необхідно вдаватися в тих випадках, коли за швидкістю поширення роблять висновку про зміни в середовищі, при хімічних реакціях, при швидкій зміні температури і т. п.
К) Поглинання ультразвуку
Заслуговують на увагу пристрої, які називаються резонансними поглиначами, які застосовуються для поглинання звуку в воді. Вони містять в собі повітряні порожнини, службовці поглинаючими резонаторами. Для цього між шаром гладкою гуми товщиною 4 мм і товстої залізної пластиною міцно зміцнюється прокладка з циліндричними порожнинами діаметрами від 5 до 2 мм. Коефіцієнт поглинання в інтервалі частот від 9 до 18 кгц дорівнює 99%.
Для облицювання стін басейнів, для акустичних досліджень застосовуються широкосмугові поглиначі з еластичних пористих матеріалів. Йорам надають загострену форму, нім досягається плавний перехід від акустичного опору води до акустичного опору облицювального шару.
3. Інфразвук
А) Приймачі інфразвуку
Дуже повільне зміна тиску можна виявити і виміряти за допомогою конденсаторного мікрофона. Для цього необхідно лише стежити за тим, щоб повітря, що знаходиться в об'ємі між мембраною і протилежним електродом, не поєднувався із зовнішнім повітрям або з'єднувався з ним только.через дуже вузький капіляр. Щоб можпо було вести вимірювання до нульової частоти, застосовують схему з несучою частотою. Для спостереження повільних коливань типу струсів необхідний приймач коливань, що поширюються у твердих тілах, який зазвичай працює але електродинамічному принципом. З успіхом використовуються також П'єзоелектричні кристали, розмір яких може бути дуже низькою. Так, В. Холі описує одну запропоновану X. Оберсту систему, в корпус якої вправлений кристал фосфату амонію, налаштований на 7,5 KBif і працює на вигин.
Сучасні вимірювачі прискорення з елементами з титанату барію були описані Брюель.
Для реєстрації повільних коливань, наприклад деталей машин, придатні тензометричні датчики. Провід або стрічка з великим опором наклеюється, як показано на малюнку, на паперову смужку або фольгу з штучного матеріалу. При деформації смужки, всією площиною приклеєною до місця, де ведеться вимір, відбувається зміна опору дроту. Датчик включається до мостикову схему, яка працює на несучій частоті.
Б) Калібрування приймачів
Для полегшення калібрування електромеханічних перетворювачів застосовується наступний метод: на вібраційному столі поруч з випробуваним перетворювачем поміщається дуже маленький контрольний датчик, зворотним впливом якого на стіл, дуже малим, можна знехтувати. Сигналами з контрольного датчика після посилення користуються для керування силовою установкою, що приводить в рух вібраційний стіл. Цим забезпечується сталість амплітуди коливань столу в широкому діапазоні частот. Можна, отже, при безперервній зміні частоти безпосередньо реєструвати постійну передачі.
4. Приміщення, вільні від луни
Якщо у вільному звуковому полі виробляються точні дослідження, при яких потрібно отримати постійне звуковий тиск або зняти діаграму спрямованості, то необхідно мати приміщення зі стінами можливо більш сильно поглинаючими звук. Для цієї мети виявилося доцільним підвісити перпендикулярно до стін на невеликій відстані один від одного ватяні смуги, а між ними і стіною прокласти ще шар вати. З міркувань пожежної безпеки вата повинна бути вогнестійкої. У приміщенні натягується сітка для ходіння, так як стать також повинен бути звукопоглинальним. Доцільно також туго натягнути сітку із сталевого дроту, на яку можна встановити вимірювальні прилади. Більш ефективними, ніж ватяні смуги, виявляються конуси з звукопоглинальних матеріалів, кут конусності яких вибирається так, щоб падаючі звукові хвилі на протилежній стороні конуса знову відбивалися; поступово при багаторазовому відбитті з большіші втратами хвилі приглушуються. Так як поглинання на поверхні особливо ефективно тільки при високих частотах, тс * позаду конусів встановлюють додатково резонатори, що гасять звук низьких частот; таким шляхом досягається рівномірне; поглинання у всій області чутності.
5. Аудіометр
Визначення порога чутності на різних частотах для спостерігача і досліджуваного суб'єкта пов'язано з рядом труднощів. Для їх усунення Бекеш розробив апарат, що дозволяє досліджуваного суб'єкту перевіряти самого себе. Інтенсивність звучання тонів він регулює кнопкою. Частота тонів повільно змінюється, і спостерігач весь час знаходиться на кордоні чутності і нечутності. Побудований за цим принципом прилад описаний Кайзером. Мраз і Дістель винайшли аудіометр нового типу, в якому сила звуку регулюється не механічним перемикачем логарифмічного ступеневої потенціометра, а за допомогою електронної схеми. Це сильно спрощує звернення C приладом і усуває потріскування при перемиканні.