Пьезоэлектричество

7. О неслышимых звуках

Во время первой мировой войны французское правительство обратилось к известному учёному физику Ланжевену с предложением найти эффективный способ дальнего обнаружения германских подводных лодок.

Для этой цели Ланжевен решил использовать ультразвуковые волны.

Со звуками человек встречается на каждом шагу. Музыка, речь, шум мчащегося поезда, щебетание птиц — всё это примеры различных звуков. Их очень много, порой они кажутся совсем непохожими друг на друга. Что общего, на первый взгляд, между раскатами грома и соловьиными трелями? И тем не менее, природа всех без исключения звуков одинакова.

Внимательно наблюдая за звучащей струной, нетрудно заметить, что она колеблется. Приложив руку к рупору работающего радиорепродуктора (громкоговорителя), также можно легко обнаружить, что он дрожит в такт звуку — в паузах между словами колебания рупора едва заметны, а во время речи они резко возрастают.

Подобные наблюдения показывают, что источниками звука являются колеблющиеся тела: голосовые связки людей или животных, струны музыкальных инструментов, движущиеся части машин и т. п.

Зажмите в тиски тонкую стальную пластинку (рис. 18).

Рис. 18. Колебания тонкой стальной пластинки.

Отведите в сторону выступающий над тисками конец пластинки, а потом отпустите его. Пластинка начнёт колебаться. В зависимости от длины выступающей части будет слышен более низкий или более высокий тон. Чем длиннее свободная часть пластинки, тем реже будут колебания и ниже звук. Таким образом, высота звука зависит от числа колебаний тела в единицу времени (например, в секунду), или, как говорят иначе, от частоты колебаний.

Опыты показали, что человеческое ухо различает звуки, создаваемые телами, которые колеблются с частотой от 16–30 до 18 000-20 000 колебаний в секунду. Так, например, постепенно увеличивая длину свободной части зажатой в тисках пластинки, нетрудно убедиться, что при определённой длине звуки перестают быть слышимыми, хотя пластинка колеблется.

Неслышимые звуки с частотой выше 20 000-30 000 колебаний в секунду называются ультразвуками.

Из повседневного опыта мы знаем, что звук способен распространяться на значительные расстояния. Раскаты грома и орудийную канонаду можно услышать за десятки километров, а грохот мощных взрывов даже за сотни. Как это происходит?

Опустите в воду конец палки и начните её раскачивать. Во все стороны от палки побегут волны. На первый взгляд может показаться, что вместе с волнами бежит и вода. Но если приглядеться к мелким щепочкам и клочкам бумаги, плавающим на воде, то легко заметить, что они не движутся с волнами, а лишь качаются на одном месте, периодически поднимаясь и опускаясь. Такое же колебательное движение совершают и частицы воды, причём по мере распространения волн начинают колебаться частицы, всё более и более удалённые от источника колебаний.

Подобные явления происходят и в воздухе, только воздушные волны нельзя увидеть.

Если поместить под стеклянный колпак какой-нибудь источник звука, например электрический звонок, и начать выкачивать из-под колпака воздух, то при этом звук звонка будет становиться всё слабее и слабее. Если бы мы могли выкачать из-под колпака весь находящийся там воздух, то звук вовсе не был бы слышен. Значит, в пустоте звуковые волны распространяться не могут.

Для того чтобы звук мог распространяться, необходима какая-либо материальная среда — воздух, вода, дерево, железо и т. д., — частицы которой могут приходить в колебательное движение.

Не все среды одинаково хорошо проводят звук. Чем более упруго и менее вязко вещество, тем меньшее сопротивление оказывает оно колебаниям частиц, тем ниже потери энергии при колебаниях и тем лучше распространяется звук. Так, например, в воде звуковая волна затухает медленнее, чем в воздухе; поэтому по воде звук может распространяться на большие расстояния. Ещё лучше распространяется звук по металлу. Приложив ухо к железнодорожному рельсу, можно услышать шум приближающегося поезда задолго до того, как этот шум станет слышен по воздуху. Это объясняется не только более высокой упругостью металла, но и большей скоростью, с какой звуковая волна движется по металлическим рельсам. Так, если скорость звука в воздухе равна приблизительно 340 метрам в секунду, то при распространении волны в воде она возрастает до 1440 м/сек, а в стали — до 5810 м/сек.

Встречая на своём пути какую-либо преграду, например барабанную перепонку уха, звуковые волны заставляют её колебаться, подобно тому как водяные волны раскачивают плавающие на воде щепки и клочки бумаги. Благодаря этому звук и можно услышать.

Если на пути звука возникает непреодолимое препятствие (горы, скалы, лес и т. д.), то звуковая волна отражается от этого препятствия и возвращается обратно в виде эхо.

Разрабатывая эффективный способ дальнего обнаружения подводных лодок, Ланжевен и решил использовать свойства звуковых и ультразвуковых волн отражаться от препятствия и возвращаться назад в виде эхо. Зная скорость распространения волны в воде, а также время между посылкой короткого звукового сигнала — импульса — и его возвращением, нетрудно подсчитать расстояние до препятствия, отразившего звук (в данном случае до подводной лодки).

В то время свойства ультразвука были уже довольно хорошо изучены. Существовали достаточно мощные источники ультразвуковых волн — колеблющиеся стальные стержни и камертоны. Но все эти источники имели один крупный недостаток — они излучали звук равномерно во все стороны. Пользуясь ими, нельзя было установить направление, в котором находится препятствие, отразившее звук. Необходимо было найти новый источник ультразвука, который посылал бы ультразвуковые волны узким пучком в нужном направлении, подобно тому как прожектор направляет луч света.

После долгих опытов Ланжевен остановился на источнике (излучателе) ультразвуковых волн, основной частью которого была определённым образом установленная пьезокварцевая пластинка. Применение такого излучателя позволило Ланжевену успешно решить поставленную перед ним задачу.

Мы уже говорили, что в силу пьезоэлектрического эффекта такая пластинка сожмётся или растянется, если к её электродам подключить источник электрического тока. До сих пор мы имели дело с постоянным током, который течёт по проводам всё время в одном направлении. Но существует также переменный ток, направление которого меняется много раз в секунду. Например, ток, текущий в осветительной сети, изменяет своё направление 100 раз в секунду. Сначала он течёт по проводам в одну сторону, но, спустя сотую долю секунды, идёт в противоположную сторону, ещё через одну сотую долю секунды течёт снова в прежнем направлении и т. д.

Если электроды кварцевой пластинки подключить к осветительной сети, то пластинка в течение секунды 100 раз сожмётся и 100 раз расширится, совершив 50 полных колебаний. Колебания пластинки передадутся воздуху, и в нём будут образовываться звуковые волны.

Если знаки электрических зарядов на электродах пластинки изменяются свыше 20 000-30 000 раз в секунду, то пластинка образует в окружающей среде ультразвуковые волны.

Кварцевая пластинка излучает ультразвук в определённом направлении — под прямым углом к её большим граням. Направленное излучение волны — основное достоинство такого излучателя.

Пьезоэлектрическая пластинка может использоваться и в качестве приёмника ультразвука. Звуковая волна, встречая на пути такую пластинку, заставляет её колебаться с частотой источника звука. Опять-таки в результате пьезоэлектрического эффекта на гранях пластинки возникают заряды, знаки которых меняются соответственно звуковым колебаниям. При этом энергия звуковых колебаний преобразовывается в энергию электрических колебаний, которые могут быть затем восприняты обычным радиоприёмником.

Чем больше поверхность кварцевой пластинки, тем, естественно, мощнее излучаемый ею звук, так как в колебательное движение приводится большее число частиц воздуха. Однако площадь отдельной пластинки сравнительно невелика, поэтому вскоре была предложена кварцевая мозаика, состоящая из ряда одновременно работающих кварцевых пластин. Такая мозаика показана на рис. 19.

Рис. 19. Кварцевая мозаика — излучатель ультразвука, состоящий из ряда кварцевых пластин, электрически соединённых друг с другом.

Стали применять также пластины специальной формы, способные излучать звук весьма узким пучком.

В ультразвуковых устройствах помимо кристаллов кварца используются искусственно выращиваемые кристаллы сегнетовой соли, сульфата лития, фосфата аммония и т. д. В последнее время начала применяться пьезокерамика, позволяющая без особых трудностей изготавливать излучатели и приёмники больших размеров и любой формы.

Сейчас ультразвук находит всестороннее применение в мореплавании. С помощью ультразвуковых волн можно обнаруживать корабли, удалённые от места обнаружения на десятки километров. Он позволяет устанавливать местоположение надводных кораблей в тумане и подводных лодок в погружённом состоянии.

С помощью специального ультразвукового прибора эхолота измеряют морские глубины, производят исследование дна, обнаруживают рифы и отмели.

Но этим не ограничивается значение ультразвука.

В 1928 г. советский учёный проф. С. Я. Соколов изобрёл ультразвуковой прибор для обнаружения трещин и раковин в металлических изделиях (различных отливках, осях и валах, орудийных стволах, турбинных лопатках и т. п.) и твёрдых пластмассах. С помощью этого прибора определяют также толщину стенок котлов и пр.

Принцип действия такого прибора мало чем отличается от описанного выше. Узкий пучок ультразвука, излучаемый пьезоэлектрической пластинкой, направляется на исследуемое изделие и проходит его насквозь. Если в толще изделия имеется трещина или раковина, которая препятствует распространению волны, то ультразвук отражается от такого препятствия и возвращается назад, где улавливается приёмником. В приёмнике он преобразуется в электрические колебания. Эти колебания направляются по проводам в специальный электрический прибор — осциллограф, на экране которого появляется характерная светящаяся кривая — осциллограмма. По виду этой кривой судят о характере дефекта. На рис. 20 показан ряд осциллограмм, получающихся при прозвучивании металлического вала со сквозным отверстием; чем больше диаметр отверстия, тем сильнее всплеск на осциллограмме.

Рис. 20. Осциллограммы, получающиеся при прозвучивании просверленного металлического вала.

Изобретение С. Я. Соколова было в своё время описано не только в отечественной, но и в зарубежной, в том числе и американской печати. Однако современная американская литература по ультразвуку старательно замалчивает первенство советского учёного.

Ультразвуковые устройства с пьезоэлектрическими излучателями применяются и в химической промышленности. Если пропускать ультразвук через пробирку с водой, в которую добавлено немного ртути, то можно наблюдать постепенное потемнение воды. Это происходит в результате дробления ртути на мельчайшие капельки, как бы висящие в воде. Таким образом с помощью ультразвука изготавливают однородные смеси — эмульсии, широко применяемые в химии и медицине.

Коснёмся некоторых важных свойств ультразвука, которые также могут найти применение в промышленности и народном хозяйстве.

Если направить пучок ультразвуковых волн, излучаемых пьезоэлектрической пластинкой, на обыкновенный термометр, то вскоре к термометру нельзя будет прикоснуться: вследствие ультразвуковых колебаний стекла рука почувствует ожог, хотя температура, показываемая термометром, останется приблизительно прежней.

При пропускании ультразвука сквозь жидкость она, оставаясь холодной, как бы вскипает. Это объясняется способностью ультразвуковых волн высвобождать из жидкости пузырьки растворённого в ней воздуха или иного газа. Если опустить в такую жидкость рыбу или лягушку, то они мгновенно погибнут.

Учёные обнаружили также, что мощные ультразвуки оказывают влияние на характер кристаллизации тел и ускоряют некоторые химические реакции.

Мы рассмотрели только часть свойств и применений ультразвука. В настоящее время ультразвуковые системы применяют ещё в целом ряде отраслей народного хозяйства, например, в телевидении, сельском хозяйстве и геологии. И во всех случаях наиболее совершенным и удобным излучателем ультразвуковых волн оказывается пьезоэлектрическая пластинка.