Чудесные кристаллы

Рачков В. К.

_{Рис. 45. Фокусирующие излучатели из титаната бария:}

_{а — отрезок сферы; б — отрезок цилиндра}

Наряду с созданием новых конструкций излучателей разработаны новые пьезоэлектрические приемники ультразвука, позволяющие обнаружить и измерить ничтожные изменения звукового давления. Размеры пьезоэлектрических приемников могут быть самые различные.

Рассказ

о содружестве ультразвука и пьезоэлектричества можно было бы продолжать еще долго. Мы остановимся лишь на одном замечательном достижении советской науки — ультразвуковом микроскопе.

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ МИКРОСКОП

Пожалуй, мало кому из вас не знаком оптический микроскоп. Но попробуйте с его помощью получить изображение предмета, скрытого от человеческого глаза толстым слоем непрозрачного вещества, или увидеть небольшой предмет в непрозрачной жидкости. Ясно, что для таких целей оптический микроскоп не подходит. Эту задачу успешно решает ультразвуковой микроскоп.

Изучая свойства ультразвука, ученые давно заметили, что с укорочением длины волны сходство ультразвуковых и световых волн возрастает. Ультразвуковая волна, так же как и световая, отражается и преломляется. Если световую волну можно сфокусировать в оптической линзе, то и ультразвук поддается фокусировке при помощи специальной ультразвуковой линзы. Такие линзы и применяются в ультразвуковом микроскопе для увеличения изображения.

_{Рис. 46. Ультразвуковой микроскоп:}

_{1 — сосуд с непрозрачной жидкостью; 2 — линза, фокусирующая ультразвук; 3 — рассматриваемый предмет; 4 — излучатель ультразвука; 5 — электронно-акустический преобразователь с кварцевой мозаикой; 6 — усилитель; 7 — телевизионная трубка}

Работу ультразвукового микроскопа можно объяснить следующим образом. Предмет, изображение которого мы хотим увеличить, помещен в сосуд с непрозрачной жидкостью (рис. 46). На него направлен пучок ультразвуковых волн, излучаемый пьезокварцевой пластинкой. Отраженные от предмета ультразвуковые волны фокусируются линзой и попадают на пьезокварцевую мозаику, составленную из множества приемников звука. Ультразвуковое изображение заставляет колебаться те приемники, которые попадают в зону изображения, причем интенсивность этих колебаний определяется интенсивностью соответствующей части изображения. Под воздействием этих колебаний на приемниках появятся электрические заряды.

Так акустическое изображение превращается в электрическое. Превратить же электрическое изображение в оптическое — задача телевидения.

По аналогии с обычным телевидением прибор, воспринимающий звуковое изображение и преобразующий его в электрическое, назвали ультразвуковым иконоскопом. Такой прибор впервые предложил советский ученый С. Я. Соколов. В настоящее время разработано несколько конструкций ультразвуковых иконоскопов, или, иначе, электронно-акустических преобразователей. Один из них показан на рис. 47.

_{Рис. 47. Внешний вид электронно-акустического преобразователя}

При помощи ультразвукового микроскопа можно добиться увеличения изображения в сотни и даже тысячи раз. Качество изображения зависит от частоты ультразвука.

Чем короче длина волны, тем больше разрешающая способность микроскопа, т. е. тем подробнее мы сможем рассмотреть увеличенное изображение.

Однако ультразвуковая микроскопия делает лишь первые шаги, не выходя из стадии лабораторных исследований. Но есть все основания надеяться, что этот метод будет быстро развиваться и совершенствоваться.

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

Все готово к старту космической ракеты. Проверены все приборы, двигатели. Космонавт занимает свое место. Еще мгновение — и ракета устремляется ввысь.

Несмотря на необычные условия, космонавт чувствует себя хорошо. Исправно работает и вся бортовая аппаратура космического корабля. Полет ракеты успешно продолжается.

Каким образом это стало известно нам, находящимся на Земле, от которой ракета удаляется на тысячи километров? Ведь для того чтобы знать состояние бортовой аппаратуры и тем более человека, необходимы многочисленные сведения о температуре, давлении, скорости, ускорении и т. д.

Оказывается, все эти сведения можно получить при помощи приборов, называемых датчиками. Это они собрали интересующие нас данные и преобразовали их в электрические сигналы, которые при помощи радиопередатчика были переданы на Землю. В результате расшифровки и обработки полученных данных мы знаем о состоянии космонавта и можем судить о работе разнообразных приборов, находящихся на космическом корабле.

Датчики применяются не только в космонавтике. Существуют многочисленные отрасли науки, техники и военного дела, где эти приборы крайне необходимы.

В многочисленном семействе датчиков почетное место занимают пьезоэлектрические датчики, использующие пьезоэлектрический эффект. Наиболее распространены пьезоэлектрические датчики давления.

Простейший манометр, например манометр для измерения давления пара в паровом котле, представляет собой изогнутую стеклянную трубку, наполненную жидкостью. Одно из колен трубки соединено с котлом. При повышении давления в котле пар давит на жидкость и в этом колене уровень жидкости падает, а в свободном колене повышается. Величина давления определяется по разности уровней жидкости в коленах.

Существуют и другие, более совершенные виды датчиков давления — манометры. Но все они имеют существенные недостатки: нельзя измерять как очень большие, так и очень слабые давления, а главное — они не успевают отмечать изменения при быстрых отклонениях давления. К тому же показания таких манометров очень трудно, а иногда и совсем невозможно передать на расстояние.

Этих недостатков не имеют пьезоэлектрические манометры, где чувствительным элементом является пьезокварцевая пластинка, на которую воздействует измеряемое давление. На пластинке возникают электрические заряды, величина которых пропорциональна давлению. Заряды с поверхностей пластинки снимаются и подаются на усилитель и далее на электроизмерительный прибор. Устройство пьезоэлектрического манометра для измерения давления пара в котле схематично изображено на рис. 48.

Нетрудно видеть, как выгодно отличается такой манометр от стеклянного манометра с жидкостью. Здесь может быть измерено малейшее изменение давления, поскольку самое ничтожное количество электрических зарядов может быть усилено.

_{Рис. 48. Пьезоэлектрический манометр:}

_{1 — корпус котла; 2 — кварцевые пластинки, 3 — выводы; 4 — электроды. 5 — отверстие для доступа пара}