Пьезоэлектричество

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.

8. Поющий кристалл

Первое время пьезоэлектрическая пластинка «умела» излучать лишь неслышимые ультразвуковые волны. Однако вскоре она «научилась» говорить, петь и даже играть одновременно на многих музыкальных инструментах. Этому способствовало быстрое развитие электроакустики — науки, занимающейся вопросами электрической записи и воспроизведения звуковых колебаний.

Взгляните на извилистую бороздку граммофонной пластинки. Извилины этой бороздки напоминают застывшие гребни морских волн. Игла граммофона, следуя по извилинам, колеблется с той или иной частотой. Там где они круче, частота колебаний выше, а там где положе игла колеблется с меньшей частотой.

Колебания граммофонной иглы передаются упругой мембране — тонкой, туго натянутой металлической пластинке, а от неё, через рупор, — окружающему воздуху.

Граммофон имеет целый ряд недостатков. Он воспроизводит музыку и речь с большими искажениями. Громкость воспроизведения недостаточно велика, регулировать её в соответствии с желанием слушателя невозможно.

Гораздо лучшие результаты получаются при электрическом воспроизведении грамзаписи. Схема работы электрического граммофона приведена на рис. 21.

Рис. 21. Схема электрического воспроизведения грамзаписи.

Колебания иглы при её движении по бороздке грампластинки передаются в этом случае особому прибору — звукоснимателю, который преобразует их в соответственные электрические колебания. Затем происходит усиление электрических колебаний и преобразование их в звук с помощью громкоговорителя.

При электрическом воспроизведении грамзаписи можно в широких пределах регулировать громкость воспроизводимой музыки или речи, изменять их тембр.

Электрические колебания, создаваемые звукоснимателем, можно передать по проводам на любое расстояние.

Наиболее распространены звукосниматели, действующие по пьезоэлектрическому принципу. В них механические колебания иглы передаются пьезоэлектрической пластинке и преобразуются ею в переменный электрический ток. Следовательно, и здесь пьезопластинка играет обычную для неё роль преобразователя энергии.

В электроакустике применяются также пьезоэлектрические микрофоны, телефоны и громкоговорители.

Микрофон — это прибор, служащий для превращения звука в электрические колебания звуковой частоты. Пьезомикрофон действует подобно приёмнику ультразвука: звуковая волна, встречая пьезоэлектрическую пластинку, заставляет её колебаться, и на электродах пластинки возникают заряды, знаки которых меняются с частотой улавливаемого звука.

Радионаушники или, как их правильнее называть, телефоны, выполняют обратную задачу. Они превращают электрические колебания в звуковые, то есть служат для воспроизведения звука. Пьезотелефон по своему устройству и действию напоминает излучатель ультразвуковых волн. Он представляет собой пьезоэлектрическую пластинку, колебания которой передаются тонкой металлической мембране, а от неё окружающему воздуху.

Если к мембране телефона или непосредственно к пьезопластинке прикрепить конический бумажный рупор, то звук будет слышен более громко. Это объясняется тем, что за счёт рупора возрастает колеблющаяся поверхность, и колебания передаются большей массе воздуха. Кроме того, излучение звуковых волн в этом случае более направленно, и их энергия концентрируется в нужном направлении. Такое устройство и называют пьезоэлектрическим громкоговорителем.

Как видим, пьезоэлектрическая пластинка, этот «поющий кристалл», может вобрать в себя звучание огромного симфонического оркестра, передать это звучание по проводам или с помощью радио на другой конец земли и воспроизвести его так, как если бы оркестр играл рядом.

Рассмотрим подробнее характерные особенности пьезоэлектрических приборов, применяющихся в акустике. В любое пьезоакустическое устройство, будь то громкоговоритель, звукосниматель или микрофон, входит так называемый пьезоэлемент, состоящий обычно из двух склеенных между собой пластинок из кристалла сегнетовой соли. Сегнетова соль по сравнению с другими пьезоэлектриками обладает наиболее сильным пьезоэлектрическим эффектом, поэтому пластинка из сегнетовой соли очень чувствительна — самое ничтожное механическое воздействие возбуждает на электродах электрический заряд. Сегнетова соль удобна и тем, что её кристаллы легко выращиваются искусственным путём и обрабатываются. Однако ей свойственны и серьёзные недостатки — она хорошо растворяется в воде и, следовательно, боится влаги. Другой её недостаток — низкая температура плавления (приблизительно 63° Ц); кроме того, пластинка из сегнетовой соли довольно непрочна. Поэтому в настоящее время ведутся поиски заменителя сегнетовой соли, который был бы близок к ней по чувствительности и не имел её недостатков.

Электроакустический пьезоэлемент работает не на сжатие — растяжение, как кварцевый излучатель ультразвука, а на изгиб (иногда на кручение). Этим достигается максимальная чувствительность пластинки из сегнетовой соли.

Пьезоэлектрическую пластинку можно вырезать из кристалла под такими углами к координатным осям, чтобы под воздействием электрических зарядов она либо удлинялась, либо укорачивалась. Две такие пластинки склеиваются большими гранями так, чтобы при укорачивании одной из них другая удлинялась, и наоборот. Тогда элемент в целом, если к электродам подвести переменный электрический ток, будет изгибаться в ту или иную сторону в зависимости от знаков зарядов на электродах (рис. 22).