Чудесные кристаллы
Шрифт:
В качестве источника звука применяли пакет взрывчатого вещества, создававший в воде звуковые волны (рис. 16). Предлагались и другие виды источников звука. Но все они имели один недостаток: излучение звука происходило равномерно во все стороны. А это означало, что нельзя было установить направление, в котором находилось препятствие, отразившее звук. Кроме того, звуковые волны, создаваемые этими источниками, отражались только от больших подводных препятствий — крупных льдин, берега, дна. Нечего было и думать об обнаружении такой маленькой цели, как подводная лодка.
Необходимо было найти новый источник, который бы посылал и принимал волны узким пучком в нужном направлении подобно тому как прожектор направляет луч света. Таким источником мог быть только ультразвуковой излучатель.
Но каким образом создать ультразвуковые волны в воде?
После долгих исканий ученые остановились па источнике ультразвуковых волн, главной частью которого была пьезокварцевая пластинка.
Если к электродам кварцевой пластинки подключить источник переменного электрического тока, то пластинка будет сжиматься и разжиматься, т. е, колебаться с частотой электрического тока источника. Колебаний пластинки передаются среде, в результате чего возникает звуковая волна. Если частота переменного электрического тока свыше 20 000 герц, то кварцевая пластинка будет излучать ультразвуки. В этом и заключается принцип работы пьезоэлектрического излучателя.
Так кропотливая и настойчивая работа ученых привела к созданию приборов, играющих немаловажную роль в современной войне на море. Вместе с тем эти работы положили начало практическому применению пьезоэлектричества. Бывшее в течение десятков лет «научным курьезом», не имеющим какой-либо практической ценности, пьезоэлектричество получило путевку в жизнь.
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Чтобы обнаружить подводное препятствие, нужно не только излучить ультразвук, но и принять отразившееся эхо. Отраженная волна, встретив на своем пути кварцевую пластинку, воздействует на нее, в результате чего пластинка будет сжиматься и разжиматься. На противоположных электродах попеременно появятся разноименные заряды, которые после усиления и преобразования подаются на индикаторные приборы.
Устройство, позволяющее преобразовать энергию электрического тока в звуковую энергию и, наоборот, звуковую энергию в энергию электрического тока, принято называть акустическим преобразователем. Если при этом используется пьезоэлектрический эффект, то преобразователь называется пьезоэлектрическим.
Пьезоэлектрические преобразователи нашли широкое применение в гидроакустических приборах различного назначения. Чаще всего это либо приемники, служащие только для приема звуковых или ультразвуковых колебаний, либо излучатели, служащие для создания звуковых или ультразвуковых волн.
Однако в ряде гидроакустических приборов, сконструированных для обнаружения подводных лодок, для излучения колебаний и приема отраженных эхосигналов используется один и тот же преобразователь или, как его обычно называют, вибратор. Для переключения преобразователя с передачи на прием применяется специальное коммутационное устройство,
Маленькая кварцевая пластинка не могла создать колебания большой мощности. Чтобы увеличить дальность распространения ультразвука, излучатель должен быть больших размеров. В распоряжении же ученых
Выход был найден. На стальной лист, служивший одним из электродов преобразователя, наклеили мозаику из кварцевых пластинок (рис. 17).
Пьезоэлектрическая мозаика набирается из большого числа пластинок как правильной, так и неправильной формы. При этом очень важно, чтобы пластинки плотно прилегали друг к другу.
При наборе мозаики все пластинки должны иметь одинаковую полярность. Это означает, что если сжать мозаику, то на всех пластинках на поверхности, обращенной в одну сторону, должны появиться одноименные заряды. Если же полярность пластинок перепутать, то на одних пластинках возникнут положительные заряды, а на других — отрицательные. Эти заряды будут компенсировать друг друга, и пьезоэффекта не произойдет. Поэтому еще до сборки мозаики на специальном приборе определяют полярность каждой пластинки.
В отличие от излучателя в приемнике не требуется создавать мощных звуковых или ультразвуковых колебаний. Поэтому пьезоэлектрический приемник обычно небольших размеров. Зато в приемниках используются самые чувствительные пьезокристаллы (сегнетова соль, титанат бария). Чем выше чувствительность приемника, тем меньший по силе звук может быть принят.
Пьезоэлектрический приемник состоит из мембраны, на внутренней стороне которой набирается столбик из тонких пьезоэлектрических пластинок. Между пластинками прокладываются электроды из тонкой металлической фольги. Столбик вместе с мембраной вставляется в металлический корпус и плотно зажимается в нем (рис. 18).
Механические колебания среды воздействуют на мембрану приемника, в результате чего на электродах образуются электрические заряды. Электроды, на которых возникают одноименные заряды, соединены между собой. Общие концы проводов, идущих от электродов, выводятся через сальник к усилителю.
Наряду с пьезоэлектрическими в настоящее время применяются магнитострикционные преобразователи. Магнитострикция — явление, сходное с пьезоэлектричеством.
Некоторые металлы, например никель, нержавеющая сталь и отдельные сплавы, обладают способностью при намагничивании изменять свои размеры. Это свойство и называется магнитострикцией.
Магнитострикционные преобразователи имеют вид сплошных или полых стержней с обмоткой, в которой течет переменный ток нужной частоты. Часто тело самого стержня набирается из тонких изолированных друг от друга пластин (рис. 19).