Юный техник, 2003 № 01

Аналогичные приборы применяются и в военном деле (рис. 1). Но из-за большой длины звуковых волн размеры устройств, собирающих звуки, получаются большими.

Несравненно лучше удается это с коротковолновым ультразвуком. В воде ультразвук можно собирать и рассеивать при помощи линз из обычного оргстекла, похожих по форме на оптические линзы.

В годы Первой мировой войны французский ученый Поль Ланжевен создал прибор для обнаружения подводных лодок при помощи ультразвука. Его излучала пластинка с двумя посеребренными гранями, особым образом вырезанная из кристалла кварца. Когда к этим граням прикладывали переменное напряжение высокой частоты, возникал пьезоэлектрический эффект. Пластина начинала колебаться, сжимаясь и разжимаясь по толщине.

С ее помощью в воде удавалось получить звуки с длиной волны в несколько мм. Пучок ультразвуковых волн, отразившись от подводной лодки, возвращался и попадал на другую такую пластину, заставляя ее колебаться. На ее посеребренных гранях возникало переменное напряжение, которое регистрировалось после усиления.

Обработать нужным образом кристалл кварца, да еще и посеребрить его торцы было бы сложно. Поэтому для опыта лучше использовать так называемый магнитострикционный эффект. Заключается он в том, что под действием изменения величины магнитного поля, направленного вдоль ферритового стержня, стержень меняет свою длину. Простейший излучатель ультразвука можно получить из стержня длиною 110–120 мм. Основная частота его механического резонанса примерно 23 кГц, что соответствует длине волны звука в воде — 60 мм. Этого достаточно для демонстрации; правда, предметы с размером меньше половины длины волны (30 мм) различить не удастся.

Если на ферритовый стержень в один слой виток к витку намотать до заполнения обмотку проводом ПЭЛ-0,8 и пропустить по ней ток от низкоомного выхода звукового генератора, то колебания стержня с собственной резонансной частотой (23 кГц) начнутся при частоте тока 11,5 кГц. Это объясняется тем, что удлинение стержня зависит только от амплитуды магнитного поля катушки, а не от его полярности. Амплитуда же переменного тока за один период возрастает дважды.

Определить момент настройки на резонанс можно следующим образом. Поставьте стержень вертикально и на верхний его торец нанесите каплю воды. В момент резонанса капля как бы взорвется.

Следует учесть, что колеблющиеся в воздухе ферритовые стержни могут быстро разрушаться. Поэтому при подготовке к опыту не следует подавать на стержень полное напряжение генератора.

Обмотку и подходящие к ней провода (но не торцы стержня!) следует тщательно изолировать от влаги. Звуковой генератор должен быть заземлен, и вообще приняты меры повышенной электробезопасности.

Схема опыта — его еще полвека назад поставил профессор Н.А. Соколов — изображена на рисунке 2.

Предмет, лежащий на дне аквариума, облучали ультразвуком. Здесь же, под водой, ставили линзу из оргстекла так, чтобы она дала звуковое изображение предмета на поверхности воды.

При косом освещении рябь на поверхности четко обрисовывает лежащий на дне предмет. Линзы можно точить на токарном станке при помощи грубого напильника. На качество изображения это не повлияет, так как размеры неровности поверхности в любом случае будут много меньше длины волны.

Опыт удобно вести в большом аквариуме или в детском надувном бассейне.

Более подробно о получении ультразвука с помощью ферритового стержня можно прочесть в книге В.В.Майера «Кумулятивный эффект в простых опытах». М., 1989. Успехов вам!

М. БАРАШКОВ

Рисунки автора

ЗАОЧНАЯ ШКОЛА РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ На фоне ультразвука…

Добиться высокого качества звучания отдельного громкоговорителя не легко. Известные приемы, например, установка его в специальный ящик, демпфирование, применение акустической обратной связи, всегда оставляют желать лучшего. Поэтому высококачественные установки приходится создавать на базе агрегатов из громкоговорителей разных частот, мощностей и марок.

А проблема в том, что громкоговоритель должен на всякое изменение электрического сигнала, подведенного к катушке, отзываться пропорциональным изменением амплитуды колебания диффузора, тогда звуковых искажений не будет. Однако при малой амплитуде сигнала материал диффузора реагирует на силу, действующую со стороны катушки, нелинейно: на слабые сигналы откликается непропорционально сильным отклонением. При некотором увеличении громкости качество воспроизведения сильных звуков становится лучше, но слабые будут по-прежнему слышны хрипло.

Дальнейшее увеличение громкости приводит к тому, что тихие звуки воспроизводятся хорошо, зато громкие — с хрипом. Казалось бы, заколдованный круг, но из него есть выход.

А заключается он в том, что, если промодулировать звуковые колебания мощным ультразвуком, громкоговоритель начнет воспроизводить все звуки линейно, как слабые, а ультразвук мешать не будет, ведь ухо его не воспринимает. Подобный прием давно используют, чтобы повысить качество записи и воспроизведения в магнитофонах.