В последние годы все чаще приходится сталкиваться с ультразвуком — звуковыми колебаниями, имеющими частоту большую, чем способен слышать человек. В медицине ультразвук используют для исследования внутренних органов (УЗИ), в быту он работает в системах дистанционного управления телевизорами, помогает решать многие задачи в науке и на производстве. Интересное применение ультразвуку нашлось и в системах охраны помещений и других замкнутых пространств.

Некоторым проблемам генерации ультразвуковых колебаний и их излучения посвящена публикуемая ниже статья.
Все многообразие генераторов, предназначенных для питания ультразвуковых {УЗ) излучателей, можно разделить по схемному решению на две основные группы — с внешней частого задаю щей цепью и резонансные, работающие на частоте собственного резонанса пьезоэлектрического излучателя.
Для питания излучателей, не имеющих четко выраженного резонанса на частоте излучения, наиболее рациональны генераторы первой группы, Большинство же пьезоэлектрических излучателей имеет резко выраженный резонанс тока на рабочей частоте. Отклонение частоты питающего напряжения даже на доли процента от резонансной приводит к резкому снижению излучаемой акустической энергии. Стабилизация частоты этих генераторов привода к существенному их усложнению и удорожанию. Положение осложняет и тот факт, что резонансная частота пьезоэлектрического излучателя имеет некоторую температурную зависимость.
Генераторы второй группы — резонансные — работают всегда на частоте резонанса пьез о излучателя даже при ее изменении от колебаний температуры. Если в каком-либо канале УЗ связи в качестве излучателя и приемника применить одинаковые пьезорезонаторы, температурная нестабильность практически не скажется на коэффициенте передачи канала вследствие согласованного сдвига частоты резонанса.
Большинство серийных УЗ пьеэоиэлу-чателай требуют довольно большого напряжения питания для обеспечений оптимального уровня мощности излучения. Поэтому при питании генератора от низковольтного источника выходной мощности иногда может не хватить. Один из выходов из такого затруднения — применение мостового усилителя мощности в генераторе.
В генераторах первой группы реализация мостовой выходной ступени трудности не представляет. С резонансным же генератором дело обстоит сложнее. Поскольку для его возбуждения необходимо создать положительную ОС по току, в цель пьез о излучателя, который будет одновременно играть роль резонатора, необходимо включить датчик тока. Снятие сигнала ОС с этого датчика — тоже задача непростая, так как на выводах резонатора, подключенного к мосту, присутствует противофазное напряжение большой амплитуды.
Все эти сложности разрешены в оригинальном варианте генератора, сочетающего мостовое включение пьеэорезонатора с возбуждением на его собственной резонансной частоте (см, схему). Ультразвуковой излучатель BF1 включен между выходами попарно-параллельно соединенных инверторов DD1.1, DD1.2 и DD1,3, DD1.4, образующих мостовой выходной усилитель. Сигналы на выходе каждой пары инверторов (выводы 6, 8 и
4, 10) находятся в противофаэе, что позволяет обеспечить амплитудное значение напряжения на излучателе практически вдвое большее, чем напряжение питания. Параллельное включение инверторов повышает нагрузочную способность усилителя, При необходимости их число в каждом плече может быть уве-
Паскольку рабочую частоту рассматриваемого генератора определяет собственная частота резонанса тока излучателя, в цепь излучателя включены датчики тока — резисторы R3 и R4. Для отделения сигнала с датчиков тока от высокоамплитудного выходного напряжения мостового усилителя служат прецизионные реэистиеные делители R1, R2 и R5, R6. Сопротивление резисторов определяют выражения R2 = R1+ R3 и R5 = R6 + +R4. Если исключить нагрузку, то и постоянное напряжение, и переменное между точками А и Б будет равно нулю. С учетом падения напряжения на датчиках тока при резонансе напряжение между точками А и Б будет пропорционально току через нагрузку.
Напряжение U№ подано на вход дифференциального усилителя переменного напряжения, который собран на ОУ DA1. Уровень выходного напряжения усилителя соответствует устойчивой работе инверторов структуры КМОП. Одновремен-но дифференциальный усилитель подавляет незначительную синфазную составляющую напряжения U«., появляющуюся из-за неизбежных отклонений сопротивления резисторов лреиизиоиного делителя от расчетного и возможной неидентичности значений выходного напряжения инверторов моста. Так как коэффициент передачи ОУ DA1 по постоянному напряжению в рассматриваемом включении равен единице, напряжение, снимаемое с делителя R8R9 и подаваемое на не инвертирующий вход ОУ через резистор R7, определяет уровень выходного напряжения.
Резистор R10 определяет ток, потребляемый программируемым ОУ DA1, и, как следствие, скорость нарастания выходного напряжения. Этот резистор выбран таким, чтобы при любом значении питающего напряжения в заданном интервале и минимальном потребляемом токе
скорость нарастания выходного напряжения не была ниже необходимой. Емкость конденсаторов С1 и С2 имеет оптимум для каждой конкретной частоты генерации, поэтому может потребоваться их подборка. Увеличение емкости сверх оптимальной приводит к некоторому снижению частоты генерации относительно резонансной, а уменьшение повышает склонность к возбуждению генератора на одном из более высокочастотных резо-нансов пьеэоизлучателя. Подбирать нужно оба конденсатора одновременно.
Теоретически конденсаторы С1 и С2 по емкости и резисторы R7 и R11 по сопротивлению должны быть строго одинаковыми, так как от этого зависит степень подавления синфазной составляющей сигнала дифференциальным усилителем. На практике, однако, вполне допустима точность подборки а пределах 5%, но в случае нестабильной работы генератора ее придется увеличить.
Импульсы, снимаемые с выхода ОУ, имеют несколько затянутые фронт и спад. Подача такого сигнала на вход моста приводит к заметному повышению входного тока инверторов моста в моменты их переключения. Буферный инвертор DD1.5 формирует на выходе импульсы с более крутыми фронтом и спадом. Это позволяет повысить КПД генератора примерно на 20%.
В качестве излучателя в описываемом устройстве использован серийный ультразвуковой пьезоэлектрический микрофон УМ-1 с частотой резонанса в интервале 36...46 кГц. Работоспособность и стабильность частоты генератора сохраняются при напряжении питания в пределах 5... 15 В. Потребляемый ток не превышает 5 мА.
Резисторы R1, R2, R5, R6 можно подобрать из обычных МЛТ-0,125 номиналом 20 кОм с помощью цифрового вольтметра, например, ВР-11А, и источника стабильного тока. Их сопротивление от ука-
20%, однако соотношение значений сопротивления, указанное выше, должно быть выдержано с точностью не хуже 0,25%, При большой разница не исключены фазовые сбои и даже срывы генерации.
Описанный генератор может быть использован в системах сигнализации и дистанционного управления, В случае, когда требуется режим стробирозания генератора внешним сигналом, вместо инвертора DD1.5 применяют элемент 2И-НЕ микросхемы К561ЛА7. На второй вход элемента подают стробирующие импульсы единичного уровня. Входы неиспользуемых инверторов необходимо соединить с минусовым проводом источника питания-
Применение стабилизированного источника литания генератора принципиально не обязательно, если нет высоких требований к стабильности уровня выходной акустической мощности.

• МОСТОВОЙ
• ГЕНЕРАТОР
• ПЬЕЗОИЗЛУЧАТЕЛЯ