Чудесные кристаллы

Рачков В. К.

Пьезоэлектрическую пластинку можно вырезать так, чтобы под воздействием электрического тока она либо удлинялась, либо укорачивалась. Если снабдить две такие пластинки электродами и склеить между собой, то получим так называемый биморфный элемент. Склеивать пластинки нужно так, чтобы при укорочении одной другая удлинялась и наоборот.

Если теперь подвести к электродам переменный ток, то весь элемент в целом будет изгибаться в ту или иную сторону в зависимости от знака зарядов на электродах. Такой биморфный элемент называется пьезоэлементом изгиба (рис. 35, а).

А

как сделать пьезоэлемент, работающий на кручение? Для этого из целого кристалла надо вырезать брусок так, чтобы под воздействием электрического тока противоположные углы бруска смещались в разные стороны. Если склеить два таких бруска и закрепить неподвижно один конец, то получим биморфный пьезоэлемент кручения (рис. 35, б).

Если оставить свободным один конец такого пьезоэлемента, а остальные три закрепить, то получим пьезоэлемент смещения (рис. 35, в)

Теперь станет понятно, как работают пьезоэлектрические телефонные наушники, или, как часто их называют, телефоны. Здесь чаще всего используется пьезоэлемент смещения. Свободный конец элемента соединяется с конической мембраной. Переменный ток, подведенный к пьезоэлементу, вызывает колебания свободного конца, которые передаются мембране. Если ток изменяется со звуковой частотой, то будет слышен звук.

_{Рис. 35. Биморфные пьезоэлементы:}

_{а — изгиба, б — кручения; в — смещения}

Подводная лодка вышла в море на выполнение боевого задания. Непрерывно несется вахта на шумопеленгаторной станции. Внимательно прослушивает водное пространство специалист-гидроакустик. Но что это? Еле слышный шорох в наушниках, потом громче, громче… Конечно! Шум винтов боевого корабля противника! Надо немедленно доложить об этом командиру!

И снова на помощь приходит пьезоэлектричество. Ведь микрофоны громкоговорящей связи, соединяющей командира и гидроакустика, тоже используют это явление.

В пьезоэлектрических микрофонах — приборах, служащих для превращения звука в электрические колебания звуковой частоты, применяются биморфные элементы, работающие на изгиб. Микрофон может состоять из одного или двух элементов. Для повышения чувствительности к пьезоэлементу иногда присоединяют металлическую диафрагму (рис. 36).

Существует еще одна область электроакустики, где широко применяются пьезоэлектрические устройства. Это запись звука и в частности звукосниматели для передачи и воспроизведения граммофонной записи.

_{Рис. 36. Пьезоэлектрический микрофон с диафрагмой}

Граммофонная пластинка состоит из еле видимых бороздок с извилинами. Это записан звук. Для воспроизведения его по бороздкам движется

игла звукоснимателя. Следуя по извилинам, игла колеблется со звуковой частотой. Колебания иглы передаются пьезоэлектрической пластинке и преобразуются в электрический ток такой же частоты. Впоследствии ток усиливается и поступает на громкоговоритель.

Обычно в пьезоэлектрических звукоснимателях применяют один биморфный элемент, работающий на кручение. Однако существуют звукосниматели и с пьезоэлементом изгиба.

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ЭХОЛОТ

Работы над пьезоэлектричеством и ультразвуком натолкнули ученых на мысль об использовании гидролокатора в качестве эхолота — прибора для измерения глубины моря.

Раньше глубину моря определяли обыкновенным тросом, на конце которого был прикреплен груз. Лот — так называлось это приспособление — опускался с борта корабля до соприкосновения груза с морским дном. По длине опускаемой части лота и судили о глубине моря.

Ясно, что такие измерения занимали очень много времени, особенно при больших глубинах моря. Точность определения глубины была чрезвычайно низка, так как за время опускания и подъема лота корабль сносило на значительное расстояние. Кроме того, при помощи лота нельзя было определять глубину на ходу корабля.

Всех этих недостатков лишен эхолот. Этот прибор похож на гидролокатор. Различие состоит в том, что ультразвуковой луч эхолота направлен вертикально вниз, к морскому дну. Как и у гидролокатора, пьезоэлектрический излучатель эхолота посылает ультразвуковые сигналы, а в паузах между посылками принимает отраженное от дна эхо (рис. 37, а).

Посылки производятся через определенные промежутки времени. Момент посылки регистрируется на специальной ленте, которая движется с постоянной скоростью. Отраженный от дна эхосигнал принимается, усиливается и также регистрируется на этой ленте (рис. 37, б). Чем больше расстояние между двумя отметками, тем больше глубина моря в той точке, где производилось измерение. На ленте нанесен специальный масштаб, а скорость движения пера, ставящего метки на бумаге в момент прихода эхосигналов, пропорциональна скорости распространения звука в воде. Ультразвуковой луч может нащупать малейшее изменение рельефа морского дна. Поэтому по записи на ленте определяют глубину моря.

_{Рис. 37. Ультразвуковой эхолот:}

_{а — принцип действия; б — лента эхолота с записью}

При помощи эхолота в настоящее время составлены подробные карты морских глубин, по которым корабль может определить свое местоположение в море.

Точность работы эхолота достаточно велика: с его помощью, например, удалось обнаружить лежащий на дне большой океанский пароход «Лузитания», потопленный немецкой подводной лодкой во время первой мировой войны. На рис. 38 приведена лента с записью эхолота. На фоне ровного профиля морского дна четко вырисовывается силуэт корабля с надстройками.