Звуки в морских глубинах

Это замечательное свойство кристаллов кварца и сегнетовой соли легло в основу создания источника ультразвуковых колебаний. В чем же физический смысл пьезоэлектричества? В основе пьезоэлектричества лежит явление поляризации диэлектриков, в результате которого под действием электрического поля внутри вещества возникают электрические диполи.

Электрические диполи представляют собой частицы вещества с двумя разноименными зарядами, находящимися один от другого на некотором расстоянии. Электрический диполь можно сравнить с маленьким заряженным конденсатором с разноименными полюсами.

Существуют естественные диэлектрики, которые имеют дипольную структуру и без электрического поля, к ним относятся пьезокристаллы.

В природе кварцы встречаются небольших размеров. Излучатель, сделанный из маленькой кварцевой пластинки, имеет небольшую мощность, в то время как нам необходим мощный источник ультразвука.

Ланжевен предложил маленькие пластинки кварца составлять в виде мозаики (рис. 14), чтобы увеличить площадь излучателя.

Рис. 14. Мозаика, составленная из пластинок кварца.

Однако одна мозаика из кварцевых пластин — это еще не излучатель, а только его сердцевина. Поэтому кварцевую мозаику приклеивают к металлической мембране. Но и это не все. Чтобы кварцевые пластины колебались, а вместе с ними колебалась и мембрана, нужно к излучателю подключить источник высокочастотных колебаний.

Сравнительно недавно научились выращивать кварцы больших размеров лабораторным путем. Пластины из таких кристаллов не нужно склеивать. Но растут кристаллы кварца медленно и дороги в производстве.

Кристаллы сегнетовой соли легко выращиваются искусственно, легко обрабатываются и обладают значительно большим пьезоэлектрическим эффектом, чем кварц. Но сегнетовая соль боится влаги, имеет низкую температуру плавления и обладает малой прочностью.

В природе существует свыше 300 кристаллических веществ, обладающих пьезоэлектричеством, но среди них трудно подобрать пригодные для излучателя звука.

В настоящее время применяют главным образом титанат бария, который получают искусственным путем. Этот материал очень прочен, прост в изготовлении, дешев и обладает хорошими пьезоэлектрическими свойствами.

Для изготовления излучателей ультразвука используют также другое замечательное свойство — магнитострикционный эффект. Он заключается в том, что ферромагнитные материалы (железо, кобальт, никель) и их сплавы, помещенные в переменное магнитное поле, изменяют свои размеры в такт изменению магнитного поля — прямой магнитострикционный эффект.

А если наоборот, сжимать или растягивать стержень из ферромагнитного сплава, то намагниченность стержня будет изменяться, а следовательно, будет изменяться магнитное поле. Это — обратный магнитострикционный эффект.

Магнитострикционный излучатель представляет собой пакет, набранный из тонких никелевых пластин толщиной примерно 0,1 миллиметра. Пакет делается не сплошным, а с прорезями, в которые укладывается обмотка (рис. 15, а).

При пропускании переменного тока по обмотке создается переменное магнитное поле, под воздействием которого пакет то удлиняется, то укорачивается. Если с большей частотой изменять знаки, то пакет будет колебаться с такой же частотой, передавая колебания среде (рис. 15, б).

Рис. 15. Магнитострикционный излучатель: а — принципиальное устройство; б — колебания излучателя передаются среде.

Как уже упоминалось ранее, пьезоэлектричество и магнитострикция имеют прямой и обратный эффекты, а это значит, что излучатель может применяться и как приемник. Учитывая это, принято называть излучатели и приемники преобразователями или вибраторами, которые в зависимости от принципа действия бывают пьезоэлектрическими и магнитострикционными.

Ультразвук в действии

Сейчас ультразвук в нашей жизни играет большую роль. Трудно назвать области промышленности или науки, куда бы он не проникал со стремительной настойчивостью.

Ультразвук применяется в медицине, металлургии, химии, физике, пищевой промышленности, на рыбном промысле и во многих других областях.

Военные моряки многим обязаны ультразвуку. Ни один корабль не выйдет в море без специальных приборов, работа которых основана на использовании ультразвука.

Ультразвуковые волны имеют способность отражаться от всевозможных препятствий. Препятствием для ультразвуковой волны может быть не только какой-либо предмет, но и разнородная среда. Этот принцип использован при разработке дефектоскопов, определяющих качество отлитых металлических деталей. Если короткий импульс ультразвукового сигнала, распространяясь в металлической болванке, встретит на своем пути раковину или трещину, то он отразится в обратном направлении. Чувствительные приборы зафиксируют отраженный импульс, и брак отливки будет обнаружен (рис. 16).