XXIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Что умеет ультразвук

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Тасоев Д.Л. 1

---

1МБОУ СОШ 26

Радченко Т.И. 1Силаев И.В. 2

---

1Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа № 26, МБОУ СОШ № 26

2Северо-Осетинский государственный университет

Работа в формате PDF

1.1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

1. Введение

Целью проекта стало включение в исследовательскую и конструкторскую деятельность, связанную с разработками проектов приборов для учебного процесса, использующих в своей работе ультразвук. Задачи работы – рассмотрев теоретический материал, изготовить авторские ультразвуковые приборы, как относительно простой конструкции, так и работающие с использованием микроконтроллера и специально написанной программы.

Объект исследования – приборы, работающие с использованием ультразвука.

Методы – после изучения теории проведение экспериментов с ультразвуковыми приборами, демонстрирующими свойства ультразвука, разработка конструкций авторских моделей и их изготовление с последующим тестированием и внесением необходимых корректировок. Источники информации по теме: учебники по физике и сведения из Интернета.

Новизна работы – изготовлены ультразвуковые «Левитатор», микрофон и дальномер, работающий по специально написанной компьютерной программе.

Актуальность проекта – в настоящее время усилилось внимание к инженерным специальностям, а данная разработка призвана вызвать увлечение школьников техникой.

2. Ультразвук и его получение

Ультразвук – звуковые волны, имеющие частоту выше воспринимаемых нашим ухом (20 000 Гц). При прохождении УЗ через материалы с разными акустическим сопротивлением и скоростью распространения волн могут проявиться отражение, преломление, рассеяние и поглощение [1,2].

Эксперименты по наблюдению свойств ультразвука

1) Комплект для демонстрации свойств ультразвука состоит: блок питания на 12 В, генератор УЗ-колебаний (27 кГц), излучатель, кювета. Получена эмульсия: масло в воде. Рис. 1 а.

2 ) Ультразвуковая ванна (рис. 1 б). Принцип действия: за счёт отражения и интерференции (сложения волн при определённых условиях), возникает кавитация [3]. Кавитация – возникновение пузырьков и их захлопывание. При этом надо учитывать частоту колебаний и размер частиц. Очистка изделия от грязи производится, используя набор кнопок. Первая кнопка: 30 Вт, вторая – время в секундах, третья – пуск.

Рис. 1 а, б. Эксперименты с ультразвуком

Получение ультразвука

Пьезоэлектриками называют кристаллы, которые способны электризоваться в процессе сжатия. При этом имеет место обратный эффект. Пьезоэффект: если к такому кристаллу приложить электрическое напряжение, то он деформируется. В результате происходит превращение электрической энергии в механическую энергию [4, 5]. Рис. 2 а,б.

Рис. 2. а) прямой; б) обратный пьезоэлектрический эффект;

В нашей работе получение ультразвука происходит за счёт механических колебаний. Их производит ультразвуковой генератор. К пьезоэлементу требуется приложить переменный ток определённой частоты. В результате пьезоэлемент сжимаясь и расширяясь, будет генерировать ультразвук.

Для локации также требуется приёмник отражённого сигнала, где пьезоэлемент уже используется в качестве датчика. Пришедший звуковой сигнал создаст деформацию пьезокристалла и механические колебания преобразуются в электрические.

3. Изучение работы ультразвукового увлажнителя воздуха

Для распыления дистиллированной воды используется УЗ генератор. Вода поднимается по капиллярам к генератору и высокочастотные колебания мембраны (100 кГц) создают мелкие капли воды. Внешний вид прибора, устройство и работа на рис. 3.

УЗ мембрана

Рис.3. Ультразвуковой увлажнитель воздуха

4. Изготовление авторской модели «Ультразвуковой левитатор»

Сборка представлена на серии фотографий. Из набора деталей путём припаивания их к плате будущего изделия получают излучатели ультразвука, работающие навстречу друг другу. Рис.4.

Рис.4 а, б. Набор деталей, плата и излучатели перед сборкой

Рис. 5. При работе за счёт интерференции волн возникает стоячая волна и пенопластовые шарики или бумажка, получая энергию от толчков молекул в соответствующих точках, зависают в пространстве между излучателями.

Рис. 5 а - в. Готовая плата, прибор и эксперименты

Условие максимумов (минимумов): амплитуда колебаний в данной точке максимальна (минимальна), если разность хода двух волн, возбуждающих колебания в этой точке, равна целому числу длин волн

Δd =± kλ

( Нечётному числу полуволн Δd = ± (2k+1)λ/2), где k= 0,1,2, ...)

С оответствующие изображения представлены на рис. 6 а, б.

Рис. 6 а, б. Условия максимума и минимума интерференционной картины

С тоячая волна (рис. 6 г) — это результат интерференции волн, которые распространяются в противоположных направлениях (при этом перенос энергии ослаблен или отсутствует).

Рис. 6 г. Стоячая волна

П учности стоячей волны — точки стоячей волны, в которых наблюдается максимум амплитуды. Эти точки имеют координаты:

х = 2n

У злы стоячей волны — точки стоячей волны, в которых наблюдаются амплитуды равные нулю. Эти точки имеют координаты:

х = (2n +1)

Для возникновения стоячих волн расстояние от поверхности излучателя до отражающей поверхности (или как в нашем случае от одного излучателя до другого) должно быть кратным половине длины волны λ.

В ычислим это расстояние:

λ= ,

где υ– скорость волн, а ν – частота колебаний.

Так как скорость звука в воздухе при 20⁰С равна 343 м/с, а частота, на которой работает излучатель ультразвука 40 кГц мы получаем:

λ=343 м/с : 40 000 Гц≈ 8,6 мм.

λ/2 ≈ 4,3 мм.

Что мы и наблюдаем. Шарики висят в пучностях, получая энергию как при броуновском движении.

5. Изготовление ультразвукового микрофона

 Мы не слышим звуки с частотой выше 20 кГц, но ощущать их мы всё-таки можем. Ультразвук оказывает и положительное, и отрицательное воздействие на человека. Например, если рядом есть мощный УЗ - источник люди могут думать, что они находятся в тишине, но в результате быстро устают, притупляется слух, что свидетельствует о перегрузке органов слуха. Также могут возникнуть головные боли, ощущение заложенных ушей, головокружение. УЗ - микрофон позволяет услышать поступающие сигналы. Прибор понижает частоту входного звукового сигнала до слышимого нам уровня, делая это путем преобразования частоты. Прибор – рис. 7 а. Блок-схема прибора – рис. 7б.

Рис. 7 а, б. Ультразвуковой микрофон и его блок - схема

6. Авторская модель ультразвукового дальномера и эксперименты с ним

Принцип действия радаров заключается в эхолокации, т.е. первоначально создают импульс, который уходит в заданном направлении, а затем отражённый сигнал принимают (если он вернётся). Это позволяет определять положение объекта в зависимости от времени задержки возвращенной волны. Расчёт расстояния R до объёкта производится по формуле:

где υ – скорость распространения сигнала, t – время, через которое сигнал возвращается обратно к радару в случае отражения сигнала от препятствия [1].

Мы изготовили ультразвуковой дальномер с лазерным прицелом. Принцип его работы такой же, как у любого локатора.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ. В работе для изготовления дальномера был использован модуль с двумя пьезоэлементами. Один служит излучателем ультразвука, а другой – приёмником. Также использовался микроконтроллер в качестве управляющей электроники.

Микроконтроллер – однокристальный компьютер для выполнения относительно простых задач [5]. Для его программирования используем известные компиляторы бейсика для микроконтроллера. Здесь Bascom (архитектуры AVR).

Для питания используется аккумулятор на 5 В. На изделии нужны разъёмы для подключения к компьютеру для установки программы.

Работа осуществляется следующим образом:

первый импульс длительностью 10-15 мкс;

затем до приёмника доходит отражённая волна.

После того, как отраженный сигнал от препятствия достиг приемника, модуль сам рассчитывает расстояние и выдаёт на ногу Echo импульс длиной до 25 мс. Время, прошедшее с момента отправки зондирующего импульса до появления импульса пришедшего отраженного сигнала в дальнейшем пересчитывается программой в реальное расстояние до препятствия.

Дальномер и его отдельные части – рис. 8, 9.

Рис. 8. Ультразвуковой датчик НС-SRO4

Рис. 9 а, б. Жидкокристаллический экран

Прибор собран по схеме – рис. 10.

Рис. 10. Электрическая схема УЗ дальномера

ЭКСПЕРИМЕНТЫ. Дальномер и работа с ним показаны на рисунках 11.

Рис. 11 а - д. Работа дальномера

Работая по специально написанной программе, на дисплей дальномер выводит вначале текст, а потом измеряемое расстояние. Результаты экспериментов приведены в таблице.

Таблица. Проверка точности измерений (разные поверхности, s=20 см)

Погрешность ±1 см.

В таблицу внесены результаты определения расстояний с помощью ультразвукового дальномера, проведённые для разных поверхностей. Отражение было рассмотрено для лучей перпендикулярных поверхности и направленных под углом к ней.

Технические характеристики используемого модуля: 

Напряжение питания: 5В.  

Сила тока: 2 мА.

Эффективный угол обзора: < 15 °. 

Диапазон расстояний: 2 см - 300 см. 

Разрешение: 0,3 см.

7. Заключение

Данная работа предназначена для творческих объединений системы дополнительного образования. Автором показаны эксперименты по теме и представлены действующие модели ультразвуковых приборов, принцип действия которых основан на использовании ультразвука. Это позволит юным конструкторам и экспериментаторам, ознакомившись с данным проектом и заинтересовавшись свойствами ультразвука, тоже начать изготовление своих приборов.

8.Список литературы

1. Мякишев Г. Я. Физика – 11 / Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, В.М. Чаругин. – М.: Просвещение, 2020. – 423 с.

2. Пёрышкин И. М. Физика. 9 класс: учебник / И.М. Пёрышкин, Е.М. Гутник, А.И.Иванов, М.А. Петрова. – М.: Просвещение, 2023. – 351 с.       

3. Майер В.В. Звук и ультразвук в учебных исследованиях / В. В. Майер, Вараскина Е. И. – Долгопрудный: Издател. Дом «Интеллект», 2012. – 336 с.       

4. Калашников С.Г. Электричество/ С.Г. Калашников. – М. : ФИЗМАТЛИТ, 2004. – 624 с.

5. Мякишев Г. Я. Физика – 10 / Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский – М.: Просвещение, 2020. – 432 с.