Пьезоэлектричество

13. Пьезоэлектрический резонатор

Если качнуть маятник, то он начнёт колебаться. Размах колебаний будет постепенно затухать, но их частота останется постоянной. Именно поэтому маятник и применяют в часах.

Частота колебаний маятника зависит от его размеров и не зависит от внешних воздействий: силы первоначального толчка, сопротивления среды и т. д. Поэтому она называется собственной частотой.

Подвесим к жёсткой стойке несколько маятников. Толкнём один из них, чтобы он начал колебаться. Энергия колебаний этого маятника будет передаваться через общую стойку другим маятникам. Однако придут в колебательное движение только те маятники, собственные частоты которых совпадают с частотой колебаний первого маятника.

Передача колебаний от какого-либо колеблющегося тела другим телам, обладающим такими же собственными частотами, называется резонансом (это слово имеет латинское происхождение и означает отзвук или отклик).

Возьмём гитару. Настроим две струны на одинаковый тон. Если теперь дёрнуть одну струну, то другая сразу же отзовётся. Это ещё один пример резонанса.

Когда на упругое тело (пружину, маятник и др.) воздействует знакопеременная нагрузка с частотой, равной собственной частоте этого тела, наблюдается возрастание размаха колебаний вследствие резонанса. Поэтому, чтобы как можно сильнее раскачать качели, нужно толкать их в такт колебаниям.

Если собственная частота колебаний какой-нибудь машины совпадает с частотой вибрации, то размах колебаний резко возрастает, вплоть до разрушения той или иной детали. Именно резонансом объясняются описанные выше случаи раскачивания зданий и разрушения мостов от незначительной знакопеременной нагрузки, которая случайно действовала с резонансной частотой.

Пьезоэлектрическая пластинка, как и любое другое упругое тело, обладает собственной частотой колебаний. Переменный ток, подводимый к электродам пластинки, можно рассматривать как внешнюю силу, вызывающую её периодическое сжатие и расширение. Если частота этой внешней силы далека от собственной частоты пластинки, то размах колебаний сравнительно невелик. Но по мере приближения частоты переменного напряжения к собственной частоте пластинки размах колебаний возрастает всё более резко и при резонансе достигает максимума. В этом случае пьезоэлектрическая пластинка является резонансной электромеханической колебательной системой, которую для простоты называют пьезоэлектрическим резонатором.

Резонансные свойства пьезоэлектрической пластинки нередко используются в известных нам ультразвуковых излучателях и приёмниках. Ведь при резонансе размах колебаний максимален, а следовательно, и наиболее велика мощность излучаемых пластинкой ультразвуковых волн.

В электроакустических приборах, напротив, стараются исключить возможность резонанса, рассчитывая пьезоэлементы так, чтобы их собственные частоты не были звуковыми. В противном случае колебания резонансной частоты воспроизводились бы гораздо громче прочих, то есть наблюдались бы искажения.

Наибольшее распространение получили пьезокварцевые резонаторы. Упругость кварца такова, что при размерах, исчисляемых миллиметрами и сантиметрами, собственные частоты кварцевых пластинок лежат в пределах от тысячи до многих миллионов колебаний в секунду. А как раз эти частоты широко применяются в одной из важнейших технических отраслей — в радиотехнике.

Благодаря высоким упругим свойствам кварцевая пластинка представляет собой весьма совершенную механическую колебательную систему, для которой характерны очень малые потери энергии. Такая система, если её привести в колебательное движение, успевает совершить сотни тысяч колебаний, прежде чем вся энергия израсходуется на преодоление сопротивления окружающей среды и трения в опорах. Для сравнения укажем, что обычный маятник после толчка делает только несколько сотен или даже десятков колебаний.

Благодаря высокой химической и температурной устойчивости кварца собственная частота кварцевого резонатора исключительно постоянна. Если кварцевую пластинку нагреть или охладить на один градус, то её собственная частота изменится всего на несколько десятитысячных, а иногда даже стотысячных долей процента.

В современной радиотехнике предъявляются очень высокие требования к устойчивости или, как говорят чаще, к стабильности частоты электрических колебаний.

Такие требования были продиктованы самой жизнью.

Для каждой радиостанции отводится своя рабочая частота. Радиослушатель, настраивая приёмник на частоту какой-либо определённой станции, слушает только её передачу, так как вследствие резонанса приёмник воспринимает лишь те колебания, на частоту которых он настроен.

По мере развития радиовещания и связи количество действующих радиостанций всё более и более увеличивается. В эфире становится «тесно». Если стабильность частот недостаточно высока, радиостанции могут «наезжать» друг на друга, создавать взаимные помехи. При этом радиослушатель слышит одновременно передачи двух или нескольких станций, сопровождающиеся свистами и искажениями. Радиотехники стали изыскивать способы повышения стабильности. И наиболее эффективным из этих способов оказалась кварцевая стабилизация, то есть стабилизация с помощью кварцевых резонаторов.

Современная радиостанция представляет собой чрезвычайно сложное устройство. Однако в её работе много общего с работой обыкновенного часового механизма.

Возьмём часы. Положим, что пружина в них не заведена. В этом случае, качнув маятник, можно наблюдать постепенное уменьшение размаха его колебаний. Это затухание, как мы уже говорили, объясняется потерями энергии на трение в опорах и на сопротивление колебательному движению маятника со стороны окружающей среды.

Заведём пружину. Она стремится восстановить первоначальную форму. Сила упругости, стремящаяся раскрутить пружину, с помощью особого механизма передаётся маятнику и поддерживает его колебания. Поэтому часовой маятник колеблется до тех пор, пока пружина не раскрутится, и запас энергии, заключённый в ней, не уменьшится до известного предела.

Таким образом в часах происходит преобразование энергии, которая запасена заведённой пружиной, в энергию механических колебаний маятника.

Аналогичное явление имеет место и в радиопередатчике. Там происходит преобразование энергии постоянного тока, вырабатываемого источниками питания (аккумуляторами, динамомашинами и т. д.), в энергию электрических колебаний. Роль пружины играет здесь источник постоянного тока, а роль маятника — электрическая колебательная система, в качестве которой может использоваться пьезокварцевая пластинка.

Частота вырабатываемых, или, как принято говорить, генерируемых радиопередатчиком мощных электрических колебаний практически равна собственной частоте кварцевого резонатора. Но так как последняя отличается очень высокой стабильностью, стабилизируется и рабочая частота радиостанции.

В этом и заключается принцип кварцевой стабилизации.

Другим эффективным способом уплотнения эфира явилось применение пьезокварцевых фильтров в радиоприёмных устройствах. По мере сближения рабочих частот радиопередающих станций выделить желаемую программу и отстроиться от помех со стороны соседних по частоте передатчиков становится всё труднее и труднее. Как раз для этой цели и предназначены кварцевые фильтры, которые пропускают токи определённой частоты и задерживают токи всех остальных частот. Простейшим фильтром служит электрическая колебательная система.

Чем меньше потери энергии в колебательной системе, тем больше размах колебаний при резонансе и тем лучше выделяются колебания резонансной частоты. Про такую колебательную систему говорят, что она обладает высокими резонансными свойствами.

Мы уже указывали, что наименьшие потери энергии по сравнению с любой другой механической или электрической колебательной системой имеет кварцевый резонатор. Следовательно, его резонансные свойства наиболее высоки, и он может выделить передачу станции, на частоту которой настроен, даже при наличии очень близких по частоте «соседей».

Устройство, содержащее кварцевые резонаторы и предназначенное для повышения «избирательности» радиоприёмника, называется кварцевым фильтром.

Такие фильтры были созданы и описаны советским инженером Я. И. Эфрусси в 1931 г. Небезынтересно отметить, что спустя три года в США появилось сообщение об «изобретении» кварцевого фильтра американцем Мэзоном. Между тем кварцевый фильтр Мэзона — это тот же фильтр Я. И. Эфрусси.

Кварцевые фильтры применяются не только в радиоприёмниках, но и в проводной связи (телефон, телеграф). Они позволяют вести по двум проводам десятки переговоров одновременно.

Таковы основные применения пьезоэлектрического эффекта. В заключение остановимся на том, как развивается и растёт пьезоэлектрическая техника, какие проблемы стоят перед ней.